CHEMIE A TECHNOLOGIE VODY

VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA STAVEBNÍ

CHEMIE A TECHNOLOGIE VODY MODUL M02 VODÁRENSTVÍ

STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA - 1 (58) -

©…

- 2 (58) -

Obsah

OBSAH 1 Úvod ...............................................................................................................5 1.1 Cíle ........................................................................................................5 1.2 Požadované znalosti ..............................................................................5 1.3 Doba pot ebná ke studiu .......................................................................5 1.4 Klí ová slova.........................................................................................5 2 Úprava podzemní vody na pitnou ...............................................................6 2.1 Formy oxidu uhli itého ve vod a odkyselování vody .........................6 2.1.1 Formy oxidu uhli itého ve vod .............................................6 2.1.2 Vápenato-uhli itanová rovnováha ..........................................9 Kliknete-li myší do volného prostoru 2.1.3 Metody odkyselování vody...................................................11 vpravo od obsahu, ten se Vám vybere 2.2 Železo ve vodách a odželezování vody...............................................13 (šed podbarví). Zmá knutím funk ní 2.2.1 Slou eniny železa ve vodách ................................................13 klávesy F9 se pak celý obsah zaktua2.2.2 Procesy odželezování vody...................................................16 lizuje dle skute ných dat. 2.3 Mangan ve vodách a odmanganování vody ........................................17 2.3.1 Slou eniny manganu ve vodách............................................17 2.3.2 Odmanganování vody ...........................................................19 2.4 Autotest ...............................................................................................21 2.5 Shrnutí.................................................................................................21 3 Úprava povrchové vody na pitnou............................................................22 3.1 i ení vody..........................................................................................22 3.1.1 Chemická podstata i icích proces ......................................22 3.1.2 Koagulanty............................................................................23 3.1.3 Hydrofobní koloidní disperze a jejich stabilita.....................23 3.1.4 Destabilizace koloidních sol ...............................................25 3.1.5 Koagula ní proces.................................................................27 3.2 Pomalá filtrace ....................................................................................30 3.3 Filtrace s využitím horninového prost edí ..........................................31 3.4 Kvalita povrchové vody využívané pro úpravu na pitnou vodu ........32 3.5 Autotest ...............................................................................................33 3.6 Shrnutí.................................................................................................34 4 Separa ní postupy ve vodárenství.............................................................35 4.1 Mikrosíta .............................................................................................35 4.2 Filtrace vrstvou zrnitého materiálu .....................................................35 4.2.1 Základní pojmy .....................................................................36 4.2.2 Otev ené rychlofitry..............................................................36 4.2.3 Uzav ené rychlofiltry a kontaktní filtrace.............................38 4.2.4 Dvouvrstevná filtrace............................................................38 4.2.5 K emelinové a perlitové filtry..............................................39 4.2.6 Filtry s plovoucí náplní .........................................................39 4.3 Autotest ...............................................................................................39 4.4 Shrnutí.................................................................................................39

- 3 (58) -

Modul 2 - Vodárenství

5 Zušlech ování pitné vody.......................................................................... 40 5.1 Oxida ní postupy zušlech ování vody ............................................... 40 5.2 Adsorpce z vodných roztok .............................................................. 40 5.2.1 Vlastnosti sorbent ............................................................... 40 5.2.2 Použití aktivního uhlí ve vodárenství................................... 42 5.2.3 Fluorizace vody .................................................................... 44 5.2.4 Domácí filtry ........................................................................ 44 5.3 Autotest............................................................................................... 45 5.4 Shrnutí ................................................................................................ 45 6 Dezinfekce vody.......................................................................................... 46 6.1 Dezinfekce chlorem a jeho slou eninami........................................... 46 6.1.1 Vlastnosti chloru a jeho slou enin ....................................... 46 6.1.2 Ú inky chloru a jeho slou enin............................................ 48 6.1.3 Chlorování vody................................................................... 49 6.1.4 Dezinfekce chlornany a chloraminem B a T ........................ 51 6.2 Dezinfekce oxidem chlori itým ......................................................... 51 6.3 Dezinfekce ozonem ............................................................................ 52 6.4 Oligodynamické metody dezinfekce vody ......................................... 53 6.5 Fyzikální metody dezinfekce vody..................................................... 53 6.6 Autotest............................................................................................... 54 6.7 Shrnutí ................................................................................................ 55 7 Záv r ........................................................................................................... 56 8 Studijní prameny ....................................................................................... 57 8.1 Seznam použité literatury ................................................................... 57 8.2 Odkazy na další studijní zdroje a prameny......................................... 57 9 Klí .............................................................................................................. 58

- 4 (58) -

Úvod

1

Úvod

1.1

Cíle

Modul .2 studijní opory k p edm tu Chemie a technologie vody, který nese název Vodárenství se zabývá výrobou pitné vody. Dozvíte se o procesech úpravy vody p i využití podzemních i povrchových zdroj , o jejím zušlech ování i hygienickém zabezpe ení. Krom toho je probrána hydrochemie látek, které se t mito procesy z vody odstra ují.

1.2

Požadované znalosti

P edpokladem k porozum ní probírané látce je znalost základ hydrochemie, tak jak byly probrány v modulu .1 této studijní opory „Chemie p írodních a pitných vod“.

1.3

Doba pot ebná ke studiu

Se znalostí základ hydrochemie, shrnutých v modulu .1, p edpokládám, že ke studiu tohoto modulu budete pot ebovat p ibližn 2 dny.

1.4

Klí ová slova

oxid uhli itý, vápenato-uhli itanová rovnováha, odkyselování, železo, odželezování, mangan, odmanganování, i ení, pomalá filtrace, filtrace s využitím horninového prost edí, separace suspenzí, adsorpce, fluorizace, dezinfekce

- 5 (58) -


2

Úprava podzemní vody na pitnou

Oproti povrchovým vodám neobsahují nekontaminované podzemní vody organické zne ist ní. Zato v n kterých p ípadech obsahují minerální slou eniny, které je nutno odstranit pro jejich korozívní ú inek na materiál rozvodné vodovodní sít (CO2) nebo naopak pro nebezpe í jejího zanášení a z d vodu dosažení lepší kvality pro pitné ú ely (soli Fe a Mn). Technologické procesy pro odstran ní t chto nežádoucích složek jsou odkyselování, odželezování a odmanganování.

2.1

Formy oxidu uhli itého ve vod a odkyselování vody

2.1.1

Formy oxidu uhli itého ve vod

Oxid uhli itý vzniká jako produkt metabolizmu mnoha zejména organotrofních organizm i p i spalování fosilních paliv. Nezne išt ný vzduch obsahuje 0,03 % obj. CO2. Ve vod se CO2 dob e rozpouští, p i 10 oC a 100 kPa je jeho rozpustnost 2360 mg.l-1. Ve vod rozpušt ný oxid uhli itý se nazývá volný oxid uhli itý. Pod tímto názvem se rozumí sou et voln hydratovaných molekul CO2.nH2O a kyseliny uhli ité H2CO3, vznikající reakcí: CO2 + H2O = H2CO3

[2.1]

Podíl takto vzniklých molekul H2CO3 z celkového množství CO2 je pom rn malý (necelé 1 %). V chemických rovnicích a p i výpo tech se obvykle píše jen CO2 nebo H2CO3, p i emž se tím rozumí celé množství CO2.nH2O + H2CO3, nebo ani b žnými analytickými metodami ob tyto formy nelze rozlišit, ale stanovuje se jejich suma. Kyselina uhli itá disociuje do dvou stup

:

H2CO3 = H+ + HCO3-

+

HCO3 = H + CO3

[2.2]

2-

[2.3]

Rovnováha vystupujících a vstupujících látek podílejících se na disociaci je vyjád ena rovnicemi, v nichž K1 a K2 jsou disocia ní konstanty: −

c ( H + ). c ( HCO3 ) = K1 = 10 −6, 4 c ( H 2 CO3 ) 2−

c ( H + ). c ( CO3 ) −

c ( HCO3 )

= K 2 = 10 −10, 3

(p i 25 oC)

(p i 25 oC)

[2.4]

[2.5]

Výskyt jednotlivých forem oxidu uhli itého, volného CO2 (resp. H2CO3) a vázaného - HCO3- a CO32- je dle rovnic [2.4] a [2.5] závislý na koncentraci vodíkových iont , a tedy na pH roztoku. Ve vod neobsahující žádné jiné látky je pH ur eno koncentrací CO2. P ídavkem kyselých nebo alkalických látek se

- 6 (58) -


naopak m ní pom r mezi formami CO2 p i zachování výše uvedených rovnovážných vztah . Pom r mezi formami oxidu uhli itého ve vod lze stanovit z neutraliza ní k ivky kyseliny uhli ité. Tato k ivka se získá jako závislost pH na p ídavku silné zásady (NaOH), to je iont OH- v mmol.l-1 k roztoku H2CO3. D j je vratný, což znamená, že p ídavkem HCl, neboli iont H+ k roztoku odpovídajícímu kterémukoliv bodu neutraliza ní k ivky se získá stejná závislost pH na p ídavku H+ v mmol.l-1. P ídavkem OH- se ovšem pH zvyšuje a p ídavkem H+ se naopak snižuje. +

-1

p ídavek H (mmol.l )

13

20

15

10

5

10

15

pH

12 11 10 9 8 7 6 5 4 0

5

-

-1

p ídavek OH (mmol.l )

20

Obr.2.1: Neutraliza ní k ivka kyseliny uhli ité, c(H2CO3) = 0,01 mol.l

procentický podíl %

100 80 HCO3

H2CO3

60

-

CO3

2-

40 20 0 4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

pH -

Obr.2.2: Distribu ní diagram soustavy H2CO3 , HCO3 a CO3

- 7 (58) -

2-

-1


Na neutraliza ní k ivce lze rozlišit dva inflexní body, p i pH = cca 4,5 a p i pH = 8,3, které ji rozd lují na t i ásti. Zjišt ním množství silné jednosytné kyseliny (mmol.l-1 HCl) nebo silné jednosytné zásady (mmol.l-1 NaOH), které se musí p idat k 1 litru analyzované vody, aby byla dosažena požadovaná hodnota pH (tento pracovní postup se nazývá titrace), se získají údaje, jejichž názvy jsou uvedeny v Tab.2.1. Tab.2.1: Oxida n reduk ní potenciál

Titrace

k pH

Ozna ení

Název

silnou zásadou

4,5

ZNK4,5

zásadová neutraliza ní kapacita k pH 4,5

silnou zásadou

8,3

ZNK8,3

zásadová neutraliza ní kapacita k pH 8,3

silnou kyselinou

8,3

KNK8,3

kyselinová neutraliza ní kapacita k pH 8,3

silnou kyselinou

4,5

KNK4,5

kyselinová neutraliza ní kapacita k pH 4,5

Z distribu ního diagramu, v n mž je znázorn na závislost koncentrace jednotlivých forem CO2 na hodnot pH, vyplývá, že p i pH = cca 4,5 a menším je prakticky jedinou formou oxidu uhli itého volný CO2 (resp.H2CO3). V oblasti pH < 4,5 je nutno p edpokládat H+ ionty, pocházející ze silných kyselin, což u p írodních vod nep ichází tém v úvahu, snad s výjimkou kyselých deš . V rozmezí pH od 4,5 do 8,3, v n mž se vyskytuje v tšina p írodních vod, existují vedle sebe CO2 a HCO3-. P i pH = 8,3 vysoce p evažuje HCO3-. Nad pH 8,3 existuje rovnováha mezi HCO3- a CO32-. Nad pH 10 je nutno p edpokládat nezanedbatelné koncentrace OH-, jejichž p vod je v silných zásadách. Reakce, ke kterým dochází p i neutralizaci vody silnou zásadou nebo silnou kyselinou p i titraci, jsou následující: P ídavkem NaOH k vod o pH ≥ 4,5 probíhá v oblasti do pH -

CO2 + OH = HCO3

8,3 reakce:

-

[2.6] -1

Z rovnice [2.6] vyplývá, že c(CO2) = ZNK8,3 v mmol.l . P ídavkem HCl k vod o pH 11 (p i tomto pH lze zanedbat koncentraci OH-) probíhá v oblasti do pH ≥ 8,3 reakce: CO32- + H+ = HCO3-

[2.7]

Pokra uje-li se v p ídavku HCl, probíhá až k hodnot pH ≥ 4,5 reakce: HCO3- + H+ = H2CO3 = H2O + CO2

[2.8]

Pro vodu s výchozím pH ≤ 8,3 platí, že c(HCO3-) = KNK4,5 v mmol.l-1. Výpo et koncentrace CO2 a HCO3- v p írodních vodách o pH mezi 4,5 až 8,3 ze ZNK8,3 a KNK4,5 platí p esn jen za p edpokladu, že voda neobsahuje ve

- 8 (58) -


srovnatelné koncentraci další slabé kyseliny (nap .huminové) a kationty, hydrolyzující za uvoln ní iont H+ (nap .NH4+). Volný oxid uhli itý je obsažen tém ve všech p írodních vodách, zejména podzemních, a zvyšuje podstatn rozpustnost n kterých minerál ve vod , zejména uhli itan (CaCO3, MgCO3), ale i k emi itan . Nap . rozpoušt ní vápence probíhá podle rovnice: H2CO3 + CaCO3 ⇔ Ca(HCO3)2

[2.9]

T mito d ji se podzemní vody obohacují rozpustnými solemi, z nichž významný podíl tvo í hydrogenuhli itany HCO3-. P írodní vody obsahují obvykle desítky až stovky mg.l-1 HCO3-, v minerálních vodách se vyskytují stovky až tisíce mg.l- HCO3-.

2.1.2

Vápenato-uhli itanová rovnováha

Uhli itan vápenatý CaCO3 se v p írod vyskytuje ve form vápence a s p írodními vodami p ichází asto do styku. Ve vod je málo rozpustný, což je dáno jeho sou inem rozpustnosti, odvozeným z Guldberg-Waageova zákona: c(Ca2+).c(CO32-) = Ks = 10-8,22 (p i 25 oC)

[2.10]

V p ítomnosti CO2 se rozpustnost CaCO3 podstatn zvyšuje, nebo probíhá reakce [2.9]. Z rovnic [2.4] a [2.5], vyjad ujících rovnováhu forem kyseliny uhli ité, a z rovnice [2.10] získáme eliminováním n kterých len vztah: c(H2CO3)r = c(CO2 )r =

K2 − . c ( Ca 2 + ). c ( HCO3 ) 2 K1 . K s

[2.11]

Za zjednodušujícího p edpokladu: 2.c(Ca2+) = c(HCO3- ) platí rovnice Tillmansova: c(CO2)r = konst. . c(HCO3-)3

[2.12]

Výše uvedený vztah mezi koncentrací volného CO2 a HCO3- , které jsou v rovnováze mezi sebou a také s CO32- a Ca2+, je znázorn n na Obr.2.3. Skute nost, že se jedná o rovnovážnou koncentraci CO2, se vyjad uje ozna ením (CO2)r. Tato rovnováha znamená, že p idáním CaCO3 do vodného roztoku, v n mž je ustavena, nedochází v n m ke koncentra ní zm n žádné ze složek na rovnováze zú astn ných. Plocha nad k ivkou vyjad ující vápenato-uhli itanovou rovnováhu zobrazuje stav, u n hož dochází p i styku vody s CaCO3 k rozpoušt ní uhli itanu dle rovnice [2.9]. P íkladem je stav znázorn ný na Obr.2.3 bodem A. Volný oxid uhliitý reaguje s CaCO3, p i emž jeho koncentrace ubývá, ale roste koncentrace HCO3-. Po dosažení rovnováhy je stav zobrazen bodem D na rovnovážné k ivce. Oxid uhli itý, který takto reagoval, se nazývá CO2 agresivní v i betonu. Oxid uhli itý, který je v rovnováze vyjád ené rovnicí [2.11] resp. [2.12], se nazývá rovnovážný a diference mezi celkovým volným CO2 a rovnovážným CO2 se nazývá oxid uhli itý agresivní v i železu. Agresivitu CO2 v i betonu, který obsahuje CaCO3, vyjad uje rovnice [2.9]. Plocha pod k ivkou uhli itanové rovnováhy zobrazuje nerovnovážný stav, p i n mž dochází k vylu ování CaCO3 ve smyslu rovnice [2.9], avšak d jem, probíhajícím zprava doleva, až je - 9 (58) -


dosaženo stavu rovnováhy. Voda, která má tyto vlastnosti, se nazývá inkrustující.

25

c(CO2) mmol.l

-1

30 A

20

E

15 10

D

B

5

C

0 0

5 10 -1 c(HCO3 ) mmol.l

C* 15

Obr.2.3: Zobrazení vápenato - uhli itanové rovnováhy

Oxid uhli itý agresivní v i betonu (CO2)agr se stanoví Heyerovou zkouškou, spo ívají v p ídavku CaCO3 do zkoušené vody a stanovením koncentrace HCO3- (KNK4,5) p ed tímto p ídavkem a po p ídavku a ustavení rovnováhy. Agresivní CO2 reaguje s CaCO3 dle rovnice [2.9]. P ír stek látkové koncentrace HCO3- tedy odpovídá látkové koncentraci agresivního oxidu uhli itého: c(CO2)agr = ∆ (KNK4,5) [mmol.l-1]. Z rovnice [2.5] a [2.12] vyplývá: c(H + ) =

K2 − c ( Ca 2 + ). c ( HCO3 ) Ks

[2.13]

Logaritmováním rovnice [2.13] se získá vztah: pHs = - log c(H+) = log

K2 - log c(Ca2+) - log c(HCO3-) [2.14] Ks

Rovnicí [2.14] je definováno tzv. satura ní pH (ozna ení pHs). Je to pH, které odpovídá koncentraci H2CO3, která je v rovnováze s reálnou koncentrací HCO3- ve vod (bod B na rovnovážné k ivce). Prakticky se pHs stanovuje p i Heyerov zkoušce zm ením pH po dosažení rovnováhy. Takto zjišt né pHs není p esn identické s pHs dle výše uvedené definice, nebo p i rozpoušt ní CaCO3 dle rovnice [2.9] se zvyšuje koncentrace HCO3- a dostáváme se do bodu D na rovnovážné k ivce. V hodnot pH je však tato diference zanedbatelná. Korozívní ú inek vody se hodnotí i podle Langelierova indexu Is definovaného jako rozdíl pH p vodního vzorku vody a pHs: Is = pH - pHs

[2.15]

pHs se vypo te dle rovnice [2.14] nebo se stanoví Heyerovou zkouškou. Je-li Is > 0, došlo k poklesu pH produkcí H2CO3 za sou asného vylu ování CaCO3 reakcí probíhající ve smyslu rovnice [2.9] zprava doleva - voda je inkrustující. Je-li Is < 0, došlo ke zvýšení pH úbytkem H2CO3 její reakcí s CaCO3 ve smyslu rovnice [2.9] probíhající zleva doprava – voda je tedy agresivní.

- 10 (58) -


2.1.3

Metody odkyselování vody

Volný oxid uhli itý v koncentraci vyšší, než odpovídá rovnovážnému stavu, je p í inou agresivity vody v i betonu, p íp. železu. Metody, kterými je CO2 z vody odstra ován se nazývají odkyselováním, které se provádí bu provzdušováním nebo chemickými zp soby.

A. Odkyselování provzduš ováním Tento zp sob, p i kterém se z vody vyhání plynný CO2, je vhodný pro úpravu vody s rovnovážnou koncentrací CO2 v tší než 5 až 7 mg.l-1 a pro st edn tvrdé vody, obsahující >1,3 mmol.l-1 (Ca+Mg) a > 2,6 mmol.l-1 HCO3-. P i tomto postupu nedochází ke zvýšení koncentrace Ca2+ a Mg2+, což je zvlášt výhodné p i úprav tvrdých vod. U nich je naopak t eba zabránit tomu, aby nedošlo p i provzdušn ní k porušení uhli itanové rovnováhy a k vylu ování CaCO3. P i aeraci dochází n kdy i k odstran ní pachových látek z vody. R st koncentrace rozpušt ného O2 p i aeraci vytvá í podmínky pro vylu ování hydroxidu železitého, p íp. mangani itého (viz kap. 2.2 a 2.3). a) Rozprašování vody Voda se rozprašuje na drobné kapi ky tryskami zasazenými do trubních rošt v rozprašovacích komorách. U nás se nej ast ji užívá trysek Plasgurových z bronzu nebo novoduru. Voda se rozprašuje vertikáln (u menších výkon ) nebo horizontáln . Plyny uvoln né z vody se z aera ní komory odsávají. Na výkon l l.s-1 se po ítá s plochou 3 až 3,5 m2 . Spot eba energie na rozprašování je pom rn zna ná. Ú inek aerace bývá snižován vysokým obsahem železa ve vod (nad 6 mg.l-1). b) Skráp ní a sprchování Postup je vhodný pro vody s v tší tvrdostí a menším obsahem železa. Výhodou je menší nárok na prostor. Pro výkon l l.s-1 je pot ebná plocha 0,1 až 0,15 m2 . Upravovaná voda protéká d rovanými síty, plechy, lískami nebo p epady a dopadá z výše 2 až 3 m na porézní materiál (koks, porcelánové st epy, cihly, antracit), na n mž se t íští a tím aeruje. Ú inek se zlepší vhán ním vzduchu. Podobné, ale ne tak dobré ú inky má sprchování. Voda p i n m vytéká cedníky nebo d rovaným potrubím a z výšky 3 až 5 m dopadá na dlaždice. c) Vhán ní vzduchu do vody Z etných variant tohoto zp sobu lze uvést nap . provzduš ovací v že, užívané také v chemickém pr myslu. Jsou to válcové nádrže, v nichž je na d rovaném mezidn uložena vrstva prstenc z porcelánu nebo jiných materiál (Raschigovy kroužky). Výška vrstvy se volí podle složení vody od 1,5 do 4 m. Na tuto vrstvu p itéká p es rozd lovací za ízení voda a proti ní se vede silný proud vzduchu. Provzduš ovací v že jsou vhodné pro aeraci tvrdších vod s obsahem železa pod 2 mg.l-1. K provzduš ování vody za ú elem jejího odkyselování nebo odželezování lze použít pneumatickou nebo mechanickou aeraci, které jsou užívány p i išt ní odpadních vod, a proto o nich bude více pojednáno v této souvislosti v Modulu .3.

- 11 (58) -


B. Chemické odkyselování vody Chemické odkyselování spo ívá v reakci oxidu uhli itého s n kterými látkami, které jsou bu ve vod nerozpustné – v tom p ípad se užívá postupu v kolon , nebo jsou vícemén rozpustné – pak se do upravované vody dávkují. U v tšiny chemických postup dochází p i odkyselování k nár stu tvrdosti vody. a) Postup v kolon P i postupu v kolon , nazývaném také ne zcela výstižn filtra ní postup, se užívá otev ených nebo uzav ených kolon (filtr - viz níže), které jsou pln ny p íslušným materiálem, reagujícím s CO2. Tento zp sob je mén náro ný na obsluhu a p izp sobuje se samo inn p ípadnému kolísání koncentrace CO2 ve vod . Hodí se p edevším pro malé zdroje. Jeho nevýhodou je nestejnom rné odkyselování, nebo povrch použitého materiálu bývá n kdy zanášen látkami suspendovanými ve vod . Nejb žn jším materiálem pro odkyselování v kolon je mramor – uhli itan vápenatý. Odkyselování lze popsat rovnicí [2.9]. Z ní vyplývá, že odstran ním 1 mmolu CO2 se zvýší koncentrace Ca (tvrdost) rovn ž o 1 mmol, tedy pom rn zna n . To je jedna z nevýhod uvedeného postupu. Další jeho nevýhodou je omezení na vody s c(Ca+Mg) = 0,4 - 1,4 mmol.l-1 a c(HCO3-) = 0,8 - 2,8 mmol.l-1. Pod touto hranicí je odstran ní CO2 nedokonalé, nad ní je rovnovážný stav dle rovnice [2.9] posunut siln doleva, takže rychlost reakce je malá. Pr m r zrn mramoru bývá zpo átku asi 4 mm, postupn se však zmenšuje. Mramor nemá být p íliš tvrdý, nebo tvrdé druhy reagují pomalu. Pot ebná reak ní doba závisí na jakosti mramoru, na složení vody (hlavn koncentraci Ca a Mg) a na teplot . Obvykle bývá doporu ována doba kontaktu 30 až 60 minut. Kolony se navrhují o výšce nápln 2 až 3 m a pro výpo et se uvažuje, že objem pór filtra ní nápln je 35 až 40 % z jejího celkového objemu. Jiným materiálem pro odkyselování je áste n pálený dolomit CaCO3.MgO, který je reaktivn jší než mramor. Reakce p i odkyselování probíhá dle rovnice: CaCO3.MgO + 3 CO2 + 2 H2O = Ca2+ + Mg2+ + 4 HCO3- [2.16] Na rozdíl od mramoru se pálený dolomit hodí i pro odkyselování m kkých vod. Z odkyselovacích materiál na principu áste n páleného dolomitu je možno uvést magno a decarbolit, což jsou obchodní názvy. U magna se volí zrnitost od l do 3 mm i více a vrstva nápln kolony o výšce až 3 m. Za t chto podmínek m že být rychlost pr toku kolonou až 20 m3/ m2. h. Decarbolit bývá používán bu v otev ených filtrech o výšce nápln 0,8 až 1,3 m a filtra ní rychlosti od 5 do 8 m.h-1 nebo v uzav ených kolonách o výšce nápln 1,5 až 2,5 m a filtra ní rychlosti 10 - 15 m.h-1. áste n páleným dolomitem se vedle odkyselení dosáhne i odželezování p íp. odmanganování vody, nebo vylu ování hydroxidu železa a manganu je podporováno alkalickou reakcí oxidu ho e natého, který je sou ástí filtra ního materiálu. Kolony však musí být v tomto p ípad p izp sobeny pro možnost praní vodou a vzduchem, aby se odstranily vysrážené hydroxidy.

- 12 (58) -


b) Odkyselování dávkováním chemikálií Tato metoda vyžaduje p esné dávkování chemikálie podle obsahu CO2 v upravované vod , dovoluje však dosáhnout jakýkoliv stupe odkyselení. Nejobvyklejší je dávkování hydroxidu vápenatého, obvykle ve form vápenného mléka suspenze Ca(OH)2. P itom probíhá reakce: Ca(OH)2 + 2 CO2 = Ca(HCO3)2

[2.17]

P idá-li se p ebytek vápna, tvo í se nerozpustný uhli itan vápenatý: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2 H2O

[2.18]

-1

Z rovnice [2.17] vyplývá, že p i odstran ní 1 mmol.l CO2 se zvýší tvrdost (koncentrace Ca) o 0,5 mmol.l-1 , tj. o polovinu mén než p i odstra ování CO2 mramorem, což je výhodné u st edn tvrdých vod. Další výhodou je nízká cena vápna, možnost p esného dávkování a sou asné odstran ní železa a manganu. Proto se tento zp sob hodí pro v tší zdroje a dále pro m kké a st edn tvrdé vody. Jiné alkalicky reagující chemikálie, které tvo í s CO2 hydrogenuhli itany, jako je NaOH nebo Na2CO3 , se pro jejich vysokou cenu používají p i odkyselování jen výjime n .

2.2

Železo ve vodách a odželezování vody

2.2.1

Slou eniny železa ve vodách

V bezkyslíkatém prost edí, které je obvyklé v podzemních vodách, p íp. v prost edí, které je navíc ješt reduk ní, jak je tomu u dna vodních nádrží, je železo stálé v oxida ním stupni II a vyskytuje se tedy v železnatých slou eninách. V rozpustné form se vyskytuje jako železnaté ionty Fe2+. K málo rozpustným slou eninám pat í hydroxid železnatý Fe(OH)2 a uhli itan železnatý FeCO3. O rozpustnosti železnatých slou enin rozhoduje p edevším pH prost edí. Tuto závislost zobrazuje diagram rozpustnosti (Obr.2.4), který vychází ze sou in rozpustnosti zobrazených slou enin. P i vysokém pH dochází k áste nému rozpoušt ní hydroxidu železnatého za tvorby hydroxokomplexu, a proto se od pH > 12 koncentrace Fe2+ v roztoku s r stem hodnoty pH op t zvyšuje. V tšina p írodních vod obsahuje hydrogenuhli itany. V tomto p ípad je rozpustnost FeII limitována p edevším rozpustností FeCO3 (Obr.2.5) a teprve v siln alkalické oblasti se uplat uje srážení Fe(OH)2. P ibližn do hodnoty pH 10 až 11 se rozpustnost FeII s rostoucí koncentrací sumy všech forem oxidu uhli itého [cT(CO2)] zmenšuje. P i pH obvyklém v p írodních vodách, tj. v rozsahu pH od 6,0 do 8,0, jsou koncentrace rozpustných forem železnatých slou enin, které lze udržet v roztoku, pom rn vysoké - cca od 0,5 do 5,0 mg.l-1 Fe2+. Ve vodách obsahujících rozpušt ný kyslík je nejstabiln jší formou železo v oxida ním stupni III. Železité soli hydrolyzují za vzniku hydroxidu železitého podle rovnice: Fe3+ + 3 H2O = Fe(OH)3 + 3 H+

- 13 (58) -

[2.19]


-2 Fe(OH)2

-1

log c (c mol.l )

-3 -4 -5

Al(OH)3

-6 -7

Fe(OH)3

-8 -9 4

6

8

pH

10

12

14

Obr.2.4: Diagram rozpustnosti amorfního Fe(OH)2,, Fe(OH)3 , Al(OH)3

1 0,8

Fe3+

Fe(OH)3 (s)

E (V)

0,6 0,4

2+

Fe

0,2

Fe(OH)2

0 -0,2

FeCO3 (s)

-0,4 1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12

pH Obr.2.5: Diagram oblastí p evažující existence systému Fe - CO2 - H2O pro

c(Fe) = 0,01 mol.l-1, cT(CO2) = 1 mmol.l-1, T = 25°C

Sraženin hydroxidu železitého odpovídá vedle vzorce uvedeného v rovnici [2.19] lépe výraz Fe2O3.nH2O, jímž je vyjád en nestechiometrický pom r mezi Fe2O3 a H2O. Rozpustnost FeIII je ur ena rozpustností hydroxidu železitého a hodnotou pH. Tato závislost je znázorn na na Obr.2.4. Z ní vyplývá malá rozpustnost solí železa v prokysli ené p írodní vod o pH > 6. V této oblasti je koncentrace FeIII v rozpustné form ádov v µg.l-1. Železo tvo í vedle jednoduchých i komplexní slou eniny. Nap . s k emi itany tvo í FeIII v alkalickém prost edí komplexy složení [FeSiO(OH)4]2+ nebo [Fe(OH)3.O.Si(OH)3]-. Z vod obsahujících vyšší koncentrace kyseliny k emi ité (15 až 20 mg.l-1 Si) se proto sráží Fe(OH)3 obtížn .

- 14 (58) -


Z organických komplexotvorných slou enin mají v chemii p írodních vod význam p edevším huminové kyseliny, tvo ící rozpustné komplexní slou eniny s FeIII i s FeII. Železo se proto z vod obsahujících tyto látky vylu uje obtížn . Železo v oxida ním stupni II m že být oxidováno na železo v oxida ním stupni III a naopak: Fe 2+ = Fe3+ + e -

[2.20]

O tom, kterým sm rem bude oxida n -reduk ní d j probíhat, rozhoduje p ítomnost oxida ních látek (schopných p ijímat elektrony) nebo reduk ních látek (schopných elektrony uvol ovat). Mírou této schopnosti je oxida n -reduk ní potenciál E. Uvedené vztahy vyplývají z diagramu, znázor ujícího oblasti p evažující existence forem železitých a železnatých slou enin v roztoku, který obsahuje i formy CO2 (Obr.2.5). Z tohoto diagramu vyplývá i význam pH pro pr b h oxida n -reduk ních d j . ím je pH roztoku vyšší, tím je oxidace FeII na FeIII snadn jší. Ve vodárenské praxi se požaduje asto p evedení FeII na FeIII, ehož lze dosáhnout p sobením oxida ními látkami, jako je molekulární (vzdušný) kyslík, chlor, ozon, peroxid vodíku, manganistan draselný apod. Oxidaci Fe2+ vzdušným kyslíkem, popisuje souhrnná rovnice: 4 Fe2+ + O2 + 10 H2O = 4 Fe(OH)3 + 8 H+

[2.21]

2+

Z výše uvedené rovnice vyplývá, že na oxidaci 4 mmol Fe je pot eba 1 mmol O2, neboli v p epo tu na hmotnostní jednotky vyžaduje oxidace 1 mg Fe2+ 0,14 mg O2. Rychlost oxidace vzdušným kyslíkem v rozmezí hodnot pH 5,0 až 7,5 lze vyjád it diferenciální rovnicí: - d c(Fe2+) / d t = k.c(FeII).[c(OH-)]2.pO2

[2.22]

v níž t je as, pO2 je parciální tlak kyslíku, k je konstanta. asový pr b h oxidace FeII je patrný z Obr.2.6. Z n ho je z ejmá zna ná závislost rychlosti oxidace na pH. Se zvyšující se hodnotou pH se rychlost oxidace výrazn zv tšuje. 0

6,0

log ct/co

-0,2

6,8

-0,4 -0,6 6,95

-0,8

7,0

7,25

-1 0

10

20 as t min

30

40

Obr.2.6: asový pr b h rychlosti oxidace FeII vzdušným kyslíkem p i r zných hodnotách pH (za normálního tlaku vzduchu).

- 15 (58) -


Rychlost oxidace FeII je ovliv ována i složením vody. Nap . vysoké koncentrace Cl- a SO42- oxidaci zpomalují, kdežto vysoké koncentrace HCO3- ji naopak zrychlují. Oxidaci výrazn brzdí látky tvo ící se železem komplexní slou eniny, jako jsou nap . huminové kyseliny. V povrchových vodách se vyskytuje železo obvykle v setinách až desetinách mg.l-1. V tší koncentrace se nacházejí ve vodách z rašeliniš , kde je železo vázáno do komplexních slou enin s huminovými látkami a jeho koncentrace bývá ádov v jednotkách mg.l-1. V podzemních vodách neobsahujících kyslík bývá železo p ítomno v oxida ním stupni II v koncentracích prom nlivých podle geologického složení horniny, ve výjime ných p ípadech až v desítkách mg.l-1. Ve vodách z rudných naleziš však m že obsah železa dostoupit výše stovek mg.l-1. V pitné vod je koncentrace železa limitována meznou hodnotou 0,2 mg.l-1 jednak z d vod chu ových, ale zejména pro nebezpe í ucpání vodovodního potrubí, i proto, že vylou ené železo ve form suspenze hydroxidu železitého dává vod hn dé zbarvení a vylu uje její použití pro praní, textilní pr mysl, zpracování fotografického materiálu apod. I nízké koncentrace FeII ve vod mohou být p í inou nadm rného rozvoje železitých bakterií, které jsou schopny využívat energii uvoln nou p i oxidaci FeII, a to za podmínek (pH), p i nichž oxidace molekulárním kyslíkem neprobíhá nebo probíhá jen velice pomalu. Železité bakterie, v nichž se ukládá produkt oxidace, jímž je Fe(OH)3, ucpávají potrubí rozvodu vody a p i odumírání bakterií zp sobují ve vod pachové závady. Velký obsah železa bývá zjiš ován v n kterých pr myslových odpadních vodách. Nap . odpadní vody z mo íren obsahují desítky g.l-1 a oplachové vody až stovky mg.l-1 Fe. V m stských odpadních vodách bývá obsaženo železo v jednotkách mg.l-1 , v nich je však jeho p ítomnost málo významná.

2.2.2

Procesy odželezování vody

Procesy odželezování vody lze rozd lit na oxida ní a ty, které využívají iontom ni .

A. Oxida ní procesy Principem oxida ních postup je oxidace FeII na FeIII a následná hydrolýza železité soli na málo rozpustný hydroxid železitý (viz rovnice [2.21]), který se pak odstraní filtrací, p íp. s p ed azenou sedimentací. K oxidaci se používá vzdušný kyslík nebo jiná oxida ní látka. a) Oxidace vzdušným kyslíkem Pro ú innou oxidaci FeII vzdušným kyslíkem je t eba, aby voda m la pH alespo 7 až 8. Vzniká-li v pr b hu hydrolýzy FeIII následkem snížení pH oxid uhli itý nebo je-li p ítomen v p vodní neupravené vod , odstraní se provzdušováním. Tím se zárove zvýší hodnota pH a vytvo í se vhodné podmínky pro vylou ení železa ve form Fe(OH)3. Vznikají-li hydrolýzou silné kyseliny (p i nízké KNK), je nutný p ídavek Ca(OH)2 nebo jiného hydroxidu.

- 16 (58) -


Provzduš ování vody se provádí bu jejím rozprašováním v komorách nebo vhán ním vzduchu, a to bu v otev ených nebo v uzav ených odželezova ích. Otev ené odželezova e jsou budovány podobn jako koagula ní nádrže p i chemickém i ení. Za nimi jsou za azeny pískové filtry s hrubším zrn ním než u filtrace za koagula ním procesem. Filtra ní rychlost bývá 5 až 10 m.h-1 . Výhodou otev ených odželezova je proti uzav eným v tší odolnost v i p etížení, možnost pr b žného odstra ování uvoln ného CO2 a zpravidla v tší ú innost. Nevýhodou je v tší prostorová náro nost, vyšší investi ní náklady a v tší možnost zne išt ní vody z ovzduší. Uzav ené odželezova e jsou v podstat ocelové nádrže, v jejichž horní ásti se provádí provzduš ování vody, p íp. i dávkování Ca(OH)2 a v ásti spodní je filtra ní vrstva. Vzduch je do vody vhán n kompresorem a je odvád n odvzduš ovacím ventilem. U n kterých typ se užívá mísi vzduch - voda. Filtra ní vrstvu tvo í k emi itý písek zrn ní 1 až 2 mm. Filtra ní rychlost bývá až 15 m.h-1, a proto musí být filtra ní vrstva dostate n vysoká. P i vyšším obsahu železa se odželezování provádí ve dvou stupních. V tlakových za ízeních není odstra ování CO2 dokonalé, a proto bývá n kdy nutné dodate né odkyselení vápnem nebo odkyselovacími p ípravky, které lze p idávat p ímo do koagula ní ásti odželezova e. b) Oxidace jinými oxidovadly Z jiných oxida ních látek p ichází v úvahu nej ast ji chlor. Používá se zejména tam, kde je železo vázáno do komplex s organickými látkami (huminovými kyselinami), které jsou p sobením chloru rozkládány. Pot ebná dávka chloru se v tomto p ípad ídí hodnotou CHSK nebo barvy vody. Oxidace probíhá dostate n rychle již p i pH = 5 a tím spíše p i pH vyšším. Brzdí ji p ítomnost NH4+, s nímž chlor reaguje za vzniku chloramin . Má-li železo vázané v komplexech oxida ní íslo II, dochází po uvoln ní FeII k jejich oxidaci na FeIII se sou asnou hydrolýzou za vzniku Fe(OH)3. Nevýhodou postupu je chlorace št pných produkt huminových látek a tvorba trihalomethan . V p ítomnosti organických látek je pro odželezování ú inný i ozon, který nemá výše uvedené negativní vlastnosti jako chlor. Reakce vyžaduje mírn kyselé až neutrální prost edí.

B. Odželezování na iontom ni ích Princip iontom ni ové techniky je popsán v p íslušné kapitole Modulu .4. Na tomto míst jen uvádím, že p i odstra ování železa na katexu se pracuje v sodíkovém nebo vápníkovém cyklu. Odželezování v Ca2+ - cyklu je vhodné p i pom ru železa k celkové tvrdostí c(Fe) : c(Ca+Mg) ≥ 1 : 20.

2.3

Mangan ve vodách a odmanganování vody

2.3.1

Slou eniny manganu ve vodách

V p írodních vodách se vyskytuje mangan ve slou eninách s oxida ním stupn m Mn II, III a IV. V bezkyslíkatém prost edí, které je obvyklé ve vodách podzemních a ve vodách u dna nádrží, je mangan stálý v oxida ním stupni II, - 17 (58) -


tj. ve form manganatých slou enin. V rozpustné form se vyskytuje p evážn jako manganaté ionty Mn2+. K málo rozpustným slou eninám MnII pat í Mn(OH)2 a MnCO3. Forma výskytu manganatých slou enin závisí na pH prost edí, p íp. na obsahu dalších látek, nap . hydrogenuhli itan (obvyklých v p írodních vodách). Ve vodných roztocích, obsahujících rozpušt ný kyslík nebo jinou oxidující látku, jsou manganaté slou eniny p i dostate n vysokém pH nestálé a oxidují se na slou eniny oxida ního stupn III nebo IV. Mn2+ = Mn3+ + eMn

2+

4+

= Mn

+ 2e

[2.23] -

[2.24]

Manganité a mangani ité slou eniny hydrolyzují podle rovnic: Mn3+ + 2 H2O = MnO(OH) + 3 H+

[2.25]

Mn4+ + 2 H2O = MnO2 + 4 H+

[2.26]

Produkty hydrolýzy jsou hydratované oxidy MnO(OH), Mn3O4 a MnO2. Složení sraženiny nerozpustných slou enin manganu, která vzniká oxidací MnII není zpravidla jednotné a závisí na pH, teplot a oxida n -reduk ním potenciálu prost edí (E). Oblasti p evažující existence slou enin manganu v závislosti na pH a E jsou uvedeny v diagramu na Obr.2.7. 0,8 0,6

MnO4

MnO2 (s)

-

E (V)

0,4 0,2

2+

Mn

MnO(OH) (s)

0 -0,2

Mn3 O4 (s)

MnCO3 (s)

-0,4

Mn(OH)2 (s)

-0,6 5

6

7

8

9

10 pH

11

12

13

14

Mn(OH)3

-

Obr.2.7: Diagram p evažující existence systému Mn - CO2 -H2O, cT(CO2) = 2 mmol.l-1 Koloidní hydratovaný MnO2, ozna ovaný také MnO(OH)2 má schopnost adsorbovat ionty Mn2+. Touto adsorpcí se n kdy vysv tluje nestechiometrické složení produkt oxidace MnII. Kinetika oxidace MnII vzdušným kyslíkem je vyjád ena rovnicí:

- 18 (58) -


- d c(MnII) / d t = k1.c(MnII) + k2.c(MnII).c(MnO2). c2(OH-).pO2

[2.27]

kde k1 a k2 jsou konstanty, pO2 je parciální tlak kyslíku, c(MnII), c(MnO2) a c(OH-) jsou molární koncentrace p íslušných látek. Z rovnice [2.27] vyplývá, že rychlost oxidace MnII závisí vedle parciálního tlaku kyslíku, který je v normálních podmínkách p ibližn konstantní, na koncentraci manganaté slou eniny, na koncentraci hydratovaného MnO2 a na pH. Jde o autokatalytickou reakci, zpo átku probíhající pomalu, ale po vytvo ení produktu oxidace - hydratovaného MnO2 - se podstatn urychlující. Proto p i odstra ování manganu z vody na „manganových filtrech“ musí být tyto nejprve zapracovány, tj. vytvo ena vrstva hydratovaného MnO2.nH2O. Narozdíl od FeII se MnII oxiduje mnohem obtížn ji. Není-li p ítomen MnO2, probíhá tato oxidace teprve p i pH > cca 9. Naopak redukce MnIII a MnIV na MnII probíhá snadn ji než redukce FeIII na FeII. K redukci MnIII a MnIV dochází v bezkyslíkatém anaerobním prost edí, nap . v hnijícím listí, v bahn ek a nádrží. V p ítomnosti lithotrofních manganových bakterií probíhá biochemická oxidace MnII na MnIII a MnIV i za podmínek, které jsou pro chemickou oxidaci nedostate né. Uvedené bakterie využívají energii uvol ovanou p i této oxidaci, p iemž produkty oxidace ukládají ve svých bu kách. To je významné p i rozvodu vody, obsahující MnII, u níž dochází k postupnému vylu ování oxid manganu a zanášení rozvodných potrubí. Mangan doprovází v p írod obvykle železo. V povrchových vodách je zpravidla obsažen v koncentracích pod 0,1 mg.1-1. V n kterých obdobích se však m že tato koncentrace podstatn zvýšit. Nap . mangan akumulovaný v rostlinách se uvol uje p i jejich hnití a je vyplavován vodou, v níž pak m že dosáhnout koncentrací i n kolika mg.l-1. K tomuto jevu dochází v n kterých p ípadech sezónn , obvykle na podzim. V podzemních vodách bývá mangan obsažen ve vyšších koncentracích než ve vodách povrchových. V n kterých lokalitách m že dosáhnout i n kolika mg.l-1 (nap . v Tluma ov 2,5 mg.l-1 , v Novém Bohumín 2 mg.l-1). Ve Vyhlášce 252/2004 Sb., stanovující požadavky na kvalitu pitné vody, je mezná hodnota pro mangan 0,05 mg.l-1 . P i vyšších koncentracích se zhoršují chu ové vlastnosti vody. Vyšší koncentrace Mn nejsou žádoucí ani p i užití vody v pr myslu z d vodu tvorby hn dých sraženin vyšších oxid .. Vedle toho zp sobuje mangan zanášení rozvodných potrubí.

2.3.2

Odmanganování vody

Postupy pro odstra ování manganu z vody lze rozd lit podobn jako u železa na oxida ní a iontom ni ové.

- 19 (58) -


A. Oxida ní postupy odmanganování Principem oxida ních postup je oxidace manganatých slou enin na hydratované oxidy a hydroxidy manganu vyšších oxida ních stup , které jsou ve vod málo rozpustné a lze je proto z ní odlou it. a) Oxidace vzdušným kyslíkem Tato oxidace probíhá podle rovnice: 2 Mn2+ + O2 + 2 H2O = 2 MnO2 + 4 H+

[2.28]

II

Oxidace Mn vzdušným kyslíkem probíhá p ijatelnou rychlostí p i pH obvyklém v p írodních vodách jen za katalytického p sobení MnO2.nH2O. Proto je pot ebné vytvo it nosi , na n mž se oxid mangani itý uchytí a z stane v systému. Takovým nosi em je pískový filtr, který však musí být p edem zapracován, tj. vytvo ena na n m vrstva MnO2.nH2O. Zapracování filtru lze provést také p ídavkem KMnO4 , který reaguje na Mn2+ prakticky okamžit podle rovnice: 3 Mn2+ + 2 MnO4- + 2 H2O = 5 MnO2 + 4 H+

[2.29]

Tato reakce probíhá rychle i v neutrální oblasti pH. Jiným zp sobem urychleného zapracování filtru je p ídavek písku již zapracovaného v množství cca 20 až 30 % z celkového objemu. Produkty oxidace MnII jsou na filtru zachyceny a tvo í pom rn kompaktní vrstvu na povrchu zrn nápln filtru. Nápln filtr pro odmanganování a sou asné odželezování bývají také dodávány. Koagula ní prostor není u odmanganovacích filtr nutný. V tšinou m že odpadnout i provzduš ování vody, nebo k oxidaci sta í kyslík rozpušt ný ve vod . P i spole ném odželezování a odmanganování se vrstva MnO2 vytvo í i na zrnech odželezovacích filtr . Pro odstran ní Mn z vody je asto nutno zvýšit pH, obvykle p ídavkem Ca(OH)2 . Povrchové zatížení odmanganovacích filtr , neboli filtra ní rychlost bývá cca 5 m.h-1. b) Oxidace vzdušným kyslíkem za sou innosti manganových bakterií P i tomto zp sobu je využit k oxidaci MnII vzdušný kyslík v p ítomnosti manganových bakterií. Tyto chemolithotrofní bakterie využívají oxida ní reakci k získání energie. Proces probíhá v p ítomnosti rozpušt ného kyslíku i v neutrální oblasti. Prakticky je realizován na pískovém filtru, jehož povrch nápln je osídlen manganovými bakteriemi. P i výšce filtra ní vrstvy 1,4 m a p i pr m ru zrn 3 mm lze pracovat s filtra ní rychlostí až 30 m.h-1. K rychlejšímu zapracování se p idává u nových filtr cca 25 % „biologicky aktivního písku“. c) Oxidace jinými oxidovadly Z oxida ních látek se používá pro oxidaci MnII manganistan draselný KMnO4, který reaguje dle rovnice [2.29]. Použití KMnO4 je vhodné p i náhlém (sezónním) výskytu MnII ve vod . KMnO4 se používá také pro zapracování odmanganovacích filtr , jak bylo uvedeno výše.

- 20 (58) -


B. Odmanganování na iontom ni ích U vod, které se obtížn odmanganují, lze použít pro tento ú el m ni iont . Vhodný je manganový permutit,což je iontom ni , který má na svém velkém specifickém povrchu vrstvu oxid manganu. Vedle iontové vým ny se u n j uplat uje adsorp ní a kontaktn oxida ní proces, ímž je zvýšena jeho ú innost. P ipraví se p sobením roztoku MnCl2 na sodíkový permutit (katex v Nacyklu). Aktivace se provádí manganistanem draselným.

2.4

Autotest

1. Které látky se podílejí na vápenato-uhli itanové rovnováze? a) Ca a všechny formy oxidu uhli itého ve vod b) Ca a uhli itany c) Ca, CO2, HCO3- a CO32d) rovnováha se správn nazývá „vápenato-uhli itá“ 2. Co je principem odkyselování vody provzduš ováním? a) taková metoda neexistuje b) vyhnání volného CO2 z vody c) oxidace látek, zp sobujících kyselost vody, vzdušným kyslíkem d) reakce vzdušného kyslíku se silnými kyselinami 3. Jaký je princip oxida ních postup odželezování vody? e) oxidace FeII na FeIII a jeho odstran ní z vody filtrací f) oxidace FeII na FeIII, hydrolýza na železitou s l a její odstran ní z vody filtrací g) k odželezování se používá reduk ních, nikoliv oxida ních proces h) oxidace FeII na FeIII, hydrolýza na Fe(OH)3 a jeho odstran ní z vody filtrací 4. Jaká látka p sobí jako katalyzátor p i oxidaci MnII na vyšší oxida ní stupn ? a) MnO2 b) Pt nebo Cu c) reakce probíhá dostate nou rychlostí i bez katalyzátoru d) KMnO4

2.5

Shrnutí

Hlavní vodárenské technologie, používané pro úpravu podzemních vod pro pitné ú ely, jsou odkyselování, odželezování a odmanganování.

- 21 (58) -


3

Úprava povrchové vody na pitnou

Povrchové vody obsahují v tší koncentrace organických látek než podzemní vody. Ty jsou živným substrátem pro bakterie, jichž nacházíme v tomto prost edí podstatn v tší množství. Kvalita povrchových vod je také více a bezprost edn ji ovliv ována odpadními vodami, pro n ž je asto jejich recipientem. Hlavní složkou organického zne išt ní jsou v povrchových vodách huminové látky. B žnou technologií úpravy povrchové vody na pitnou je proces i ení, p i n mž jsou p edevším koloidní a jemn suspendované látky p evád ny do separovatelné suspenze. Nedílnou sou ástí i ení je separace této suspenze, obvykle procesy filtra ními, p ípadn i sedimenta ními. Jinými zp soby išt ní povrchové vody jsou pomalá filtrace a metody využívající horninové prost edí.

3.1

i ení vody

i ení je základním technologickým procesem p i úprav povrchových vod na vodu pitnou. N kdy se tohoto postupu užívá i p i išt ní vod odpadních (pr myslových). i ení spo ívá v dávkování solí hliníku nebo železa do vody, p iemž se tvo í ve vod tém nerozpustný hydroxid hlinitý nebo železitý (podle dávkované chemikálie). ástice t chto hydroxid se shlukují (agregují) do hrubé disperze, p i emž do sebe strhávají, p ípadn na svém povrchu adsorbují látky obsažené ve vod , zejména ástice koloidních rozm r a v tší, ale i n které látky rozpušt né. Hydroxidy a s nimi látky v nich zachycené se odd lí od vody usazováním a filtrací. Proces agregace se nazývá koagulace, zbavení vody agregovaných suspendovaných ástí i ení. V praxi se asto oba procesy nazývají zkrácen jedním z obou názv .

3.1.1

Chemická podstata i icích proces

Hydrolýzou solí železa nebo hliníku, dávkovaných do vody v pr b hu i ení, vznikají p íslušné hydroxidy podle rovnic: Fe3+ + 3 H2O = Fe(OH)3 + 3 H+ Al3+ + 3 H2O = Al(OH)3 + 3 H+

[3.1] [3.2]

Uvoln né vodíkové ionty reagují s HCO3- obsaženými ve vod : H+ + HCO3- = H2O + CO2

[3.3]

Snížení hodnoty pH v tomto p ípad není tak výrazné jako v nep ítomnosti HCO3-. ím v tší je dávka koagulantu, tím více iont H+ vznikne, a tím v tší koncentrace HCO3- (KNK4,5) bude t eba k jejich neutralizaci. Pokud je koncentrace HCO3- p íliš nízká nebo dávky koagulantu p íliš vysoké, použije se k neutralizaci uvoln ných H+ iont hydroxid vápenatý: Ca(OH)2 + 2 H+ = 2 H2O + Ca2+

[3.4]

Hydroxid vápenatý váže také CO2 vzniklý dle rovnice [3.3]: Ca(OH)2 + 2 CO2 = Ca(HCO3)2

- 22 (58) -

[3.5]


Reakcemi [3.4] a [3.5] se zvyšuje koncentrace Ca ve vod (tvrdost). Má-li se tomu zabránit, použije se místo Ca(OH)2 bu NaOH nebo Na2CO3.

3.1.2

Koagulanty

Síran hlinitý Al2(SO4)3.18H2O. Technický produkt obsahuje cca 4% volné H2SO4, je agresivní v i betonu a kov m, a proto musí být nádrže pro jeho skladování opat eny ochrannými povlaky. Skladovací výška má být menší než 2,5 m. Hlinitan sodný bezvodý Na2Al2O4. Jeho roztok reaguje alkalicky. Užívá se v kombinaci se síranem hlinitým. Hydrolyzuje podle rovnice: AlO2- + 2 H2O = Al(OH)3 + OH-

[3.6]

Polyaluminiumchlorid (PAC), což je áste n neutralizovaný AlCl3. Komplexní polymer obsahuje ionty OH-, Cl- a SO42- vázané na hliníkové atomy a tvo ící s nimi makromolekulu. Její složení není jednotné, ale závisí na podmínkách p ípravy. Použití polyaluminiumchloridu má n které p ednosti p ed síranem hlinitým, pon vadž je slou eninou, která se p i použití hlinité soli teprve tvo í jako mezistupe koagulace. Optimální dávka je p i použití PAC pon kud širší, koagulace probíhá lépe i p i nižších teplotách a v n kterých p ípadech lze dosáhnout nižší zbytkové koncentrace Al v i ené vod . Síran železitý Fe2(SO4)3, dodávaný v roztoku pod názvem Ferrifloc, je nej ast ji používanou solí železa. Chlorid železitý - jeho použití je mén obvyklé. Bezvodý FeCl3 není navlhavý oproti hydratované soli FeCl3.6H2O, která je siln hygroskopická (p ijímá vzdušnou vlhkost) a na vzduchu se roztéká. Bývá dodávána jako 40 %ní siln korozívní roztok. Rozpustnost uvedených koagulant ve vod je velice dobrá. Dávkují se ve vodných roztocích nebo pomocí tzv. suchých dávkova v tuhém stavu. Pro úpravu pH se nej ast ji užívá hydroxid vápenatý Ca(OH)2, dodávaný jako tzv.vápenný hydrát. Jeho suspenzi lze p ipravit hašením oxidu vápenatého (páleného neboli vzdušného vápna) jeho reakcí s vodou: CaO + H2O = Ca(OH)2. Rozpustnost hydroxidu vápenatého ve vod není velká a klesá s rostoucí teplotou. Roztok Ca(OH)2 se nazývá vápenná voda. V technologii vody se asto užívá 1 %ní suspenze Ca(OH)2 , tzv. vápenné mléko.

3.1.3

Hydrofobní koloidní disperze a jejich stabilita

V procesu koagulace se tvo í makromolekuly komplexních polymer hliníku nebo železa, které se dále spojují a zv tšují svoji velikost až dosáhnou velikosti koloidních nebo jemn dispergovaných ástic. Koloidní disperze, u nichž koloidní ástice jsou tvo eny tuhými látkami, jakými jsou hydroxidy hlinitý nebo železitý, se nazývají soly. Na povrchu koloidních ástic hydroxidu železitého, p ípadn hlinitého, vzniklých hydrolýzou Fe3+ nebo Al3+ - solí, se adsorbují Fe3+, p íp. Al3+ ionty (dle p íslušné soli) a ud lují t mto ásticím kladný elektrický náboj, který brání jejich spojení, tj. agregaci, nebo stejn nabité ástice se odpuzují. Tato vrstva iont , nazývaná vnit ní, p itahuje elektrostatickými silami z roztoku ástice - 23 (58) -


nabité opa nými náboji, které vytvá ejí vn jší vrstvu.V daném p ípad se jedná o anionty, u nichž je míra tohoto p sobení tím v tší, ím mají v tší náboj. Více se tedy na tvorb vn jší vrstvy podílejí ionty SO42- než Cl- a HCO3-. Závisí ovšem i na jejich koncentraci v roztoku. Celý útvar, který je složen ze dvou vrstev opa n nabitých, se nazývá elektrická dvojvrstva. Ionty z vnit ní vrstvy a áste n i opa n nabité ionty z vn jší vrstvy ulpívají na koloidní ástici pom rn pevn a s ní se také pohybují. Tvo í tzv. adsorp ní vrstvu. Ionty z vn jší vrstvy, které nejsou k ástici vázány tak pevn , se pohybují s kapalinou a tvo í tzv. difúzní vrstvu. Mezi povrchem ástice a roztokem vzniká elektrický potenciál (U). V adsorp ní ásti se p edpokládá jeho tém lineární a pom rn prudký pokles, v ásti difúzní je spád voln jší a nelineární (Obr.3.1). Fe3+ SO42Fe3+ HCO3Fe(OH)3

HCO3SO42-

Fe3+ SO42Fe3+ Cl-

ClSO42-

Fe3+ SO42vrstva:

vnit ní

HCO3vn jší

adsorp ní dvojvrstva

difúzní vrstva

Obr.3.1: Elektrická dvojvrstva

Elektrické náboje iont vnit ní vrstvy nejsou pln kompenzovány opa n nabitými náboji iont vn jší vrstvy a na pohybovém rozhraní mezi adsorp ní a difúzní vrstvou vzniká potenciálový rozdíl, nazývaný potenciál zeta ( ) .

U [mV]

ζ l - vzdálenost od povrchu ástice

Obr.3.2: Potenciálový spád elektrické dvojvrstvy

- 24 (58) -


Hodnota potenciálu zeta se obvykle pohybuje v rozmezí od 50 do 100 mV. P i hodnot v tší než 40 mV je koloidní ástice stálá. P i jeho poklesu pod 30 mV (kritický potenciál) nastává pomalu koagulace a p i hodnotách kolem nuly je koagula ní proces velice rychlý. Náboj koloidní ástice závisí na podmínkách vzniku koloidního solu. Hydrolýzou hlinitých a železitých solí jsou koloidní ástice Al(OH)3 a Fe(OH)3 nabity kladn , jak je uvedeno výše. Naproti tomu jsou koloidní ástice vzniklé hydrolýzou hlinitan nabity záporn (vnit ní iontová vrstva). Vn jší iontovou vrstvu tvo í v tomto p ípad kationty, nap . Na+, Ca2+ aj. Elektrická dvojvrstva m že vzniknout nejen adsorpcí iont p i vzniku hydrofobní koloidní ástice, ale i disociací vysokomolekulárních látek. Mnohé látky (jílového charakteru) vyplavované z p dy do povrchových vod nesou záporný elektrický náboj, vzniklý disociací jejich makromolekul. Záporné elektrické náboje nesou i huminové látky. Jsou to složité organické slou eniny vznikající humifika ním procesem v p d , z níž jsou vyplavovány do povrchových vod, kde p edstavují hlavní podíl organického zne išt ní.

3.1.4

Destabilizace koloidních sol

Pro išt ní vody koagulací je d ležité p ivést koloidní disperzi hydrolyzovaného koagulantu k agregaci do v tších ástic, které lze odd lit od vody sedimentací nebo filtrací. Tento proces je podmín n destabilizací koloidní disperze. Destabilizace pomocí sol nabitých opa ným nábojem V koloidní disperzi se ástice s opa ným nábojem p itahují, což snižuje stabilitu systému a dochází k agregaci t chto ástic. P itom ástice ztrácejí sv j náboj a shlukují se do v tších celk . Proto p ítomnost záporn nabitých koloidních ástic p ítomných v povrchové vod p ispívá ke koagulaci kladn nabitých hydroxid Al(OH)3 p íp. Fe(OH)3. Spolu s látkami obsaženými ve vod tvo í tyto hydroxidy shluky, p esahující svojí velikostí koloidní disperzi. V isté vod (destilované) probíhá proces koagulace Al(OH)3, p íp. Fe(OH)3 mnohem obtížn ji než ve vod povrchové. Ú innost i ení závisí na hodnot pH roztoku i na použitém koagulantu. Dob e sedimentující vlo ky Fe(OH)3 se tvo í v pom rn širokém rozmezí pH od 4 do 11. Rozsah vhodného pH p i tvorb hydroxidu hlinitého je užší. Srážení Al(OH)3 za íná p i vyšším pH než srážení Fe(OH)3 a p i pH p íliš vysokém se Al(OH)3 rozpouští za vzniku hlinitan . Všeobecn platí, že látky kyselého charakteru se koagulací odstra ují lépe p i nižším pH, kdežto látky zásadité povahy se odstra ují lépe v prost edí o pH vyšším. Na principu destabilizace koloidních hydroxid opa n nabitým solem spo ívá p sobení aktivovaného hydrosolu oxidu k emi itého, který se p ipravuje p sobením kyseliny (H2SO4, HCl) na vodní sklo (k emi itan sodný): Na2Si2O5 + 2 H+ = 2 Na+ + 2 SiO2 + H2O

[3.7]

Koagula ní ú inek hydratovaného oxidu k emi itého spo ívá v záporném náboji jeho koloidních ástic. P ispívá tedy ke koagulaci kladn nabitých koloidních disperzí. Vlo ky hydroxidu hlinitého, p íp. železitého v jeho p ítomnosti - 25 (58) -


snadn ji koagulují a lépe se usazují. Koagulace probíhá i p i nižších teplotách, rozši uje se oblast pH p i srážení Al(OH)3 a snižují se dávky primárního koagulantu. Dávky kyseliny k emi ité, vyjád ené jako SiO2 bývají 1 až 15 mg.l-1 , molární pom r SiO2 : Al2(SO4)3 má být menší než 1:2. V n kterých p ípadech se p i dávkování oxidu k emi itého tvo í vlo ky mazlavé konsistence, ucpávající filtry. V tomto p ípad je vhodné použít k filtraci hrubší písek. Dávkování kyseliny k emi ité se doporu uje zvlášt p i technologii úpravy vlo kovým mrakem. Pro podobný ú el bývá používán také bentonit, což je k emi itan hlinitý Al2O3.4SiO2.nH2O. Destabilizace pomocí hydrofilních koloid Hydrofilní koloidy jsou tvo eny polymerními makromolekulami vláknitých, p íp. sí ovitých struktur, obklopených molekulami vody. Jejich koagula ní p sobení na hydrofobní koloidní ástice lze vysv tlit pomocí m stkové teorie (bridging theory), p edpokládající vazbu mezi ásticemi solu a molekulami polymeru. Aby byla molekula polymeru ú inným destabilizátorem, musí obsahovat chemické skupiny, schopné interakce s ur itými místy povrchu ástice solu. P i kontaktu se ástice solu adsorbují na molekuly polymeru a tím dochází k destabilizaci disperze a posléze k její koagulaci. P edávkování polymeru má však naopak stabilizující ú inek na disperzi a vede ke zhoršení koagula ních podmínek. To lze vysv tlit vytvo ením ochranného obalu kolem ástic solu molekulami polymeru, který brání spojení t chto ástic. polymer + ástice = destabilizovaná ástice

aglomerované ástice

ástice stabilizovaná p ebytkem polymeru

Obr.3.3: Destabilizace disperzí pomocí hydrofilních koloid

Vhodnými polymery k výše uvedeným ú el m jsou p edevším organické sloueniny p írodního, ast ji však um lého p vodu. Nazývají se také organické flokulanty. Základní složkou mnoha syntetických flokulant je kyselina akrylová CH2=CH.COOH, p íp.amid této kyseliny CH2=CH.CO.NH2. Obsahuje-li polymer disociovatelné skupiny, nazývá se polyelektrolyt. Podle chemického složení rozeznáváme organické flokulanty kationtové, aniontové a neiontové. Destabiliza ní mechanizmus kationtových polymer pro záporn nabité koloidní ástice, stejn a jako aniontových polymer pro destabilizaci kladn nabitých ásti, spo ívá jak v tvorb m stk a sí ových struktur, tak v neutralizaci elektrických náboj . Tato okolnost má za následek, že velikost molekuly nemusí být pro destabilizaci rozhodující. Organické polymery jsou ve vodárenství nej ast ji používány jako flokulanty, neboli pomocné koagulanty spolu s železitými a hlinitými solemi. Urychlují - 26 (58) -


koagulaci a pomáhají vytvo it lépe usaditelné vlo ky hydroxid t chto kov . Mén obvyklé je jejich použití samostatn jako primárních koagulant . Optimální dávky se stanovují experimentáln (pozor na p edávkování). P i použití jako pomocný flokulant bývají dávky obvykle v množství kolem 1 mg.l-1 . Také p i išt ní odpadních vod lze použít flokulanty ke zlepšení sedimenta ních vlastností suspendovaných látek. Kationtové flokulanty jsou nezbytné pro p edúpravu kal z m stských istíren p i jejich strojním odvod ování na pásových lisech nebo v odst edivkách. V t chto p ípadech se používají dávky 2 až 5 g flokulantu na 1 kg sušiny kalu. Destabilizace pomocí elektrolyt Mechanizmus tohoto zp sobu destabilizace je ist elektrostatický. P ídavek elektrolyt (rozpustných solí) snižuje absolutní hodnotu potenciálu zeta. Stav, p i kterém ζ = 0, se nazývá izoelektrický bod. P sobení elektrolyt lze vysv tlit p echodem iont z difúzní vrstvy p es pohybové rozhraní do vrstvy adsorp ní. íká se tomu stla ování dvojvrstvy. P i kladné hodnot potenciálu zeta se takto uplat ují p edevším anionty, p i záporné hodnot naopak kationty. Ú innost iont p i tom vzr stá s jejich mocenstvím. Uvedený zp sob destabilizace koloid se v technologii úpravy vody prakticky nepoužívá pro jeho menší ú innost i z d vodu nežádoucího zasolování vody. Je o n m pojednáno proto, aby bylo poukázáno na vliv rozpustných solí na flokulaci, což se m že uplatnit p i išt ní odpadních vod koagulací.

3.1.5

Koagula ní proces

Dávkování koagulantu Z ekonomických d vod se požaduje, aby dávka koagulantu byla co nejmenší. P itom ale musí posta ovat k vyhovujícímu vy išt ní vody. Dávka koagulantu je závislá na zne išt ní vody. ím je v tší zne išt ní, tím v tší musí být dávka. P ídavkem železitých a hlinitých solí dochází ke snížení alkality vody a hodnoty pH. Není-li p ídavkem koagulantu dosaženo optimálního pH, provede se jeho úprava p ídavkem kyseliny sírové nebo hydroxidu vápenatého. Prvý p ípad (snížení pH) lze ešit také zvýšením p ídavku koagulantu, který reaguje kysele. Ke druhému p ípadu, kdy je pH p íliš nízké, dochází u siln zne ist ných vod, u nichž je nutno volit vysoké dávky koagulantu, p i emž H+ ionty uvoln né jejich hydrolýzou nesta í být tlumeny reakcí s HCO3-. P i stanovení dávek koagulantu je rozhodující obsah kovu (Fe, Al), který tvo í p íslušný hydroxid. Pro orienta ní stanovení dávky se vychází z hodnot CHSKCr nebo z barvy vody: Dávka železité nebo hlinité soli D [mmol.l-1 Fe3+ nebo Al3+] = (0,3 až 0,4).CHSKCr

(CHSKCr v mg/l)

[3.8]

(B je barva v mg/l Pt)

[3.9]

nebo (2,5 až 3,0).

B

Stanovení p esné dávky koagulantu se provádí experimentáln koagula ní zkouškou: pro vypo tenou orienta ní dávku koagulantu se stanoví optimální - 27 (58) -


pH a pro n pak s odstup ovanými dávkami koagulantu se provede koagula ní pokus. Dosažený výsledek se hodnotí podle kvality upravené vody. Optimální je nejmenší dávka koagulantu, p i níž je dosaženo požadované kvality. V praxi bývají pro pom rn isté povrchové vody dávky koagulant , odpovídající 0,15 až 0,3 mmol.l-1 Fe3+ nebo Al3+, pro zne ist né povrchové vody bývají dávky p ibližn dvojnásobné. Pot ebné koagulanty jsou dávkovány ze zásobník bu v pevném stavu (suché dávkování) nebo v p edem p ipravených roztocích (dávkování za mokra) automatickými dávkova i rozmanitých konstrukcí. Suché dávkova e jsou konstruovány na principu objemovém nebo váhovém. Pro dávkování roztok se používá nej ast ji dávkovacích pístových erpadel, u nichž se dávkované množství reguluje nastavením zdvihu pístu. N kdy jsou užívána i jiná za ízení, nap . s regulací na plovákovém principu. Kinetika koagula ního procesu Pr b h vlastní koagulace, která prob hne po nadávkování koagulant a jejich promísení s vodou a která je výsledkem hydrolýzy solí železa nebo hliníku, lze rozd lit do dvou asových etap: perikinetické a ortokinetické. V perikinetické fázi vznikají mikrovlo ky agregací koloidních ástic vlivem Brownova pohybu (tepelný pohyb r znými sm ry). Kinetiku tohoto d je lze vyjád it rovnicí Smoluchowského: N=

No 1 + k.T. N o .t

[3.10]

kde N je po et ástic v dob t, No je po et ástic v ase nula (p ídavek koagulantu), T je termodynamická teplota (K) a k je konstanta, závislá na viskozit prost edí a polom ru ástic. Koagulace agregujících ástic je provázena snižováním jejich zeta potenciálu. V ortokinetické neboli proudové fázi koagula ního procesu se tepelný pohyb ástic, které dosahují velikosti nad 1 m, již neuplat uje. Agregace ástic za vzniku makrovlo ek však pokra uje a je výsledkem srážek vyvolaných vn jším p sobením, jako jsou gravita ní síly a pohyb kapaliny. Tento pohyb však nesmí být p íliš intenzivní, aby nedocházelo k rozbití vlo ek. P echod mezi ob ma asovými etapami je plynulý. Realizace koagula ního procesu Úplný proces koagulace se skládá z t chto operací: 1. dávkování koagulantu a jeho promíchání s upravovanou vodou - asová fáze rychlého míchání, 2. asová fáze pomalého míchání, b hem níž dochází k vlo kování (koagulaci), 3. separace vlo ek usazováním a filtrací. asová fáze rychlého míchání, p i níž bývá rychlostní gradient G roven 100 až 1000 s-1, se volí ádov v jednotkách minut. D ležité je dokonalé promíchání

- 28 (58) -


koagulantu s upravovanou vodou. B hem této doby prob hne perikinetická koagulace. Rychlé míchání se eší:

• mechanicky pomocí míchadel r zné konstrukce, • hydraulicky, nap . umíst ním p epážek v proudící kapalin nebo již v p ívodním potrubí, do jehož zúženého profilu je zaúst n p ívod koagulant , • ve fluidní vrstv zrnitého materiálu, v níž dochází k silné turbulenci. K tomuto ú elu lze použít písek o velikosti zrn 0,3 až 0,4 mm. V pr b hu následujícího pomalého míchání prob hne ortokinetická koagulace za tvorby makrovlo ek. P i pomalém míchání má být rychlostní gradient G pod 100 s-1. Optimum se volí podle modelového pokusu. Pro železitá srážedla bývá G < 65 s-1, pro hlinitá bývá G < 25 s-1. Doba pomalého míchání se volí 20 až 30 minut. ím je voda chladn jší, tím je tato doba delší. Pomalé míchání se provádí:

• mechanickými míchadly, • hydraulickým ešením nádrže, • provzduš ováním. P íkladem i ícího za ízení je flokulátor, sestávající z ásti, v níž probíhá rychlé míchání, a z ásti, jejíž prostor je míchán pomalu. Vodní suspenze je pak vedena do usazovací nádrže, kde se usadí p evážná ást vlo ek hydroxid železa, p íp. hliníku a potom na rychlofiltry, na nichž se odstraní jejich zbytek. V n kterých p ípadech se sedimentace vynechává a separace hydroxidu se d je pouze filtrací, což vyžaduje ast jší propírání filtra ní nápln . etnost praní závisí ovšem i na dávkách koagulantu. p ítok vody a koagulantu odtok vody prostor kalového mraku št rbina kal koagula ní prostor Obr.3.4: Schéma i i e s vlo kovým mrakem

- 29 (58) -


Intenzifikace i icího procesu byla docílena v i i ích s vlo kovým mrakem. Je to za ízení, v n mž probíhá proces flokulace i separace vlo ek sedimentací (Obr.3.4). Po prob hnuté koagulaci protéká sm s p es št rbinu vertikáln vrstvou suspenze hydroxidu železitého nebo hlinitého, vznášející se v proudící kapalin . P i tom se mikrovlo ky zachycují na makrovlo kách suspenze, nebo proces ortokinetické koagulace je podporován stykem nových vlo ek s vlo kami p edem vytvo enými. Vzhledem k tomu, že prostor s vlo kovým mrakem se sm rem vzh ru rozši uje, klesá i vzestupná rychlost (která bývá v horní ásti kolem 1 mm.s-1), takže se vytvo í pom rn ostré rozhraní mezi suspenzí vlo kového mraku a irou vodou nad ním. ást suspenze se z vlo kového mraku pr b žn odvádí k zahušt ní a likvidaci. Voda odtékající z i i e se zbaví zbytk vlo ek hydroxid na rychlofiltru. Provoz i i s vlo kovým mrakem je pom rn choulostivý, nebo je zna n závislý na hydraulických podmínkách, použitém koagulantu i teplot vody. Zvláštním typem i i e je pulzátor (fy Degremont, Francie), u n hož je vlo kový mrak udržován v rytmickém pohybu pravideln se opakujícími nárazy p ivád né vody. V dob klidu se mrak zmenšuje, nárazem vody naopak expanduje. Tato pulzace má p íznivý vliv na funkci i i e. Uvádí se, že u dob e fungujícího i ícího procesu se dosahuje odstran ní suspendovaných a koloidních látek (zákalu) 90 až 95 %, snížení barvy o 80 až 90 % a snížení po tu bakterií o 95 až 98 %. Z rozpušt ných látek se p i koagulaci zachytí jen n které. Více nebo mén se zachytí ionty t žkých kov , áste n také rozpušt né organické látky s dostate n velkými molekulami na hranici koloid . Neadsorbují se však nízkomolekulární organické slou eniny, alkalické kovy a kovy alkalických zemin (Na, K, Ca, Mg) i b žn se ve vodách vyskytující anionty: HCO3-, Cl-, SO42- a NO3-.

3.2

Pomalá filtrace

Pomalá filtrace je proces úpravy povrchové vody na pitnou, p i n mž se uplatuje vedle filtra ního ú inku p edevším ú inek biologického oživení nápln . Jedná se tedy v prvé ad o proces biologický, podmín ný inností aerobních mikroorganizm , které na filtra ní pískové náplni vytvo ily biologickou blánu, p sobící i jako filtra ní prost edí. Na biologickou blánu se také látky, p edevším koloidní a suspendované, adsorbují. Substrátem mikroorganizm je organická hmota obsažená ve vod , která je tímto procesem mineralizována. Pomalé biologické filtry (anglické) sestávají z filtra ní vrstvy vysoké 100 až 120 cm, vytvo ené pískem o velikosti zrn 0,4 až 0,7 mm. Podkladní vrstvy mají výšku 40 až 60 cm a tvo í plynulý p echod od zrn pr m ru 1 mm až k zrn m o pr m ru 30 mm na dn filtru, kde je umíst n drenážní systém odvád jící profiltrovanou vodu. Výška vody nad náplní bývá 50 - 150 cm. Biologická blána siln oživená mikroorganizmy se vytvo í na povrchu jemného písku do hloubky 1 až 2 cm. Po ur ité provozní dob , když se odpor filtru nár stem biologické blány zna n zvýší, je nutno provést regeneraci, a to sejmutím vrchní vrstvy písku do hloubky 1,5 až 3 cm (pokryté biologickou blanou) a nakyp ením povrchu. Pak se filtr zapracuje, což spo ívá v op tovném vytvo ení biologické blány. Doba zapracování i doba pracovního cyklu závisí na teplot vody. Po n kolika cyklech se písek dopl uje. - 30 (58) -


Tab.3.1: Pracovní cyklus anglického filtru

letní období

zimní období

zapracování

1 -2 týdny

3 - 6 týdn

filtra ní cyklus

3 - 6 týdn

7 - 12 týdn

Povrchové zatížení pomalých filtr se volí v rozmezí od 0,1 do 0,2 m.h-1. Pomalé biologické filtry se požívají k úprav málo zne išt ných povrchových vod s obsahem suspendovaných látek do 50 mg/l, s CHSKMn do 6 mg.l-1 o zákalu do 100 ZF. Dosahovaná istící ú innost bývá pro bakterie 99 %, pro CHSKMn 20 až 40 %. Výhodou pomalých filtr je jednoduchý provoz, nevýhodou jsou velké nároky na plochu.

3.3

Filtrace s využitím horninového prost edí

U tohoto zp sobu úpravy povrchové vody na pitnou je využito procesu, který probíhá v p írod p i tvorb zásob podzemní vody z vod povrchových. Prostupem vody p dou a horninovými vrstvami, zejména sedimenta ního p vodu, probíhají v ní procesy fyzikální (filtrace), fyzikáln chemické (adsorpce) i biochemické (mikrobiální rozklad organických látek, nitrifikace aj.), které jsou analogií samo isticích proces , probíhajících v povrchových vodách, od nichž se však odlišují mimo jiné obvykle delším asovým p sobením a p ítomností pevného nosi e, tvo eného horninou. Uvedený proces se nazývá p irozenou infiltrací. Na jejím principu je založen odb r vody ze studní, navrtaných v blízkosti koryta eky (zpravidla n kolik desítek až stovek metr ), jejíž voda infiltra ním procesem tyto studny napájí. V bezprost ední blízkosti velkých ek je podloží obvykle tvo eno sedimentovanými horninami, které je svojí prostupností pro infiltraci p íznivé. P i um lé infiltraci se využívá jako filtra ní médium rovn ž horninové prost edí, p i emž se buduje vedle jímacího objektu i objekt vsakovací. Mezi nimi se vytvá í spád hladiny podzemní vody jejím od erpáváním z jímací studny, zatímco do vsakovací studny je upravovaná voda p ivád na. Um lá infiltrace se používá k odstran ní t chto látek z vody: organických slou enin v etn ropných látek, železa, manganu, amoniaku, t žkých kov aj. V n kterých p ípadech se voda p ivád ná do vsakovacího objektu upravuje. Nap . p i odželezování a odmanganování se voda p ed p ívodem do vsakovací studny provzduš uje, aby v ní byl dostatek kyslíku pro mikrobiální oxidaci Fe2+ a Mn2+ železitými a manganovými bakteriemi, jejichž populace se v horninovém prost edí p i pr chodu vodou obsahující uvedené kovy rozmnoží. Produkty oxidace vylou ené z vody , jimiž jsou hydroxidy s vyššími oxida ními ísly, se zachytí v horninovém prost edí jako na filtru. Tento systém se nazývá Vyredox a je vhodný pro úpravu menších zdroj vody. Z výše uvedeného vyplývá, že um lá infiltrace je použitelná nejen pro úpravu povrchové, ale i podzemní vody, pro odželezování a odmanganování. Obsah látek ve vod upravované um lou infiltrací nesmí p ekro it ur itou hranici, jinak nastává nadm rná kolmatace (zanesení) filtra ní horninové vrstvy. - 31 (58) -


Doporu ené limitní hodnoty jsou tyto: CHSKMn < 12 mg.l-1 , rozpušt né látky < 1000 mg.l-1, nerozpušt né látky < 2 mg.l-1, Fe < 1 mg.l-1, Mn < 1 mg.l-1, celkový po et mikroorganizm v l ml < 10 000.

3.4

Kvalita povrchové vody využívané pro úpravu na pitnou vodu

P ípustné a cílové standardy zne išt ní povrchových vod, které jsou využívány nebo u kterých se p edpokládá jejich využití jako zdroje vody pitné, jsou uvedeny v Na ízení vlády R .61/2003 Sb. (Tab.3.2). Vody se rozd lují do t í kategorií podle pot ebné technologie jejich úpravy na vodu pitnou: A1 – jednoduchá fyzikální úprava, nap íklad rychlá filtrace. A2 – b žná fyzikální úprava, chemická úprava, srážení, vlo kování, usazování, filtrace. A3 – intenzivní fyzikální a chemická úprava, srážení, vlo kování, usazování, filtrace, adsorpce (aktivní uhlí). U všech zp sob úpravy se po ítá s dezinfekcí. Imisní standardy ukazatel p ípustného zne išt ní jsou stanoveny pro sou asnou dobu a cílové s platností od r.2012. Standardy se vztahují k nejmén p íznivým hydraulickým podmínkám v toku, to je pro pr tok Q355. Oproti cílovým standard m jsou sou asné v tšinou mírn jší, p ípadn chybí, jako nap . ukazatele bakteriálního zne išt ní. Nutno však upozornit na platnost imisních standard pro všechny povrchové vody již v sou asné dob (viz Modul 1). N které ukazatele je nutno limitovat s ohledem na požadovanou kvalitu pitné vody, p i emž je t eba po ítat s tím, že standardními vodárenskými technologiemi se tyto látky neodstraní, naopak m že dojít k zvýšení jejich koncentrace v d sledku dávkování chemikálií (koagulanty).

- 32 (58) -


Tab.3.2: Cílové imisní standardy vybraných ukazatel pro povrchovou vodu využívanou jako zdroj vody pitné

ukazatel

rozm r

A1

A2

A3

BSK5

mg.l-1

3

4

5

CHSKCr

mg.l-1

2

5

10

TOC

mg.l-1

5

8

8

NC

mg.l-1

1

2

3

NH4+

mg.l-1

0,05

0,5

1,0

extrahovatelné látky

mg.l-1

0,1

0,2

0,5

huminové látky

mg.l-1

2

3,5

6

tenzidy aniontové.

mg.l-1

0,2

0,2

0,5

Fe

mg.l-1

0,1

1

1

0,05

0,1

0,5

-1

Mn

mg.l

koliformní bakterie

KTJ/100 ml

50

5 000

50 000

termotolerantní kolif. bakt.

KTJ/100 ml

20

2 000

20 000

intestinální enterokoky

KTJ/100 ml

20

1 000

10 000

salmonely

v 5000 ml

0

0

teplota

o

< 15

< 22

3.5

C

< 22

Autotest

1. K jaké zm n pH dochází v pr b hu procesu i ení? a) žádné b) pH se zvyšuje c) pH se snižuje d) nemá-li upravovaná voda dostate nou tlumivou kapacitu, pH se snižuje 2. Jaký je princip pomalé filtrace? a) filtrace vrstvou písku o velmi malé zrnitosti b) filtrace + rozklad organických látek inností mikroorganizm biologické blány na povrchu nápln filtru c) jedná se o b žnou filtraci s malým zatížením filtra ní kolony d) filtrace p es filtr s keramickou náplní, pokrytou málo rozpustnou sloueninou st íbra 3. Co je to kolmatace? a) zanesení filtra ní horninové vrstvy b) filtrace horninovým prost edím

- 33 (58) -


c) zp sob odstran ní Fe a Mn p i filtraci horninovým prost edím d) um lá infiltrace

3.6

Shrnutí

Hlavní složkou organického zne išt ní jsou v povrchových vodách huminové látky. B žnou technologií úpravy povrchové vody na pitnou je proces i ení, p i n mž jsou p edevším koloidní a jemn suspendované látky p evád ny do separovatelné suspenze. Jinými zp soby išt ní povrchové vody jsou pomalá filtrace a metody využívající horninové prost edí.

- 34 (58) -

Separa ní postupy ve vodárenství

4


P i úprav vody na pitnou procesy koagulace, odželezování, odmanganování a n kdy i odkyselování vznikají suspenze, které je nutno z vody odstranit p edtím, než je distribuována spot ebitel m. Nejobvyklejší separa ní procesy jsou sedimentace a filtrace. Sedimentace, realizovaná v usazovacích nádržích, je používána i p i išt ní odpadních vod a bude o ní pojednáno v Modulu .3. Z filtra ních postup je v této kapitole pojednáno jen o t ch, které jsou používány ve vodárenství, a také pro separaci suspendovaných látek z povrchové vody p ed její další úpravou.

4.1

Mikrosíta

Mikrosíta jsou za ízením, které slouží pro zachycení ástic ádov v tších než desítky m, výjime n až 10 m, což jsou látky suspendované. Konstruk n jsou mikrosíta zpravidla ešena jako otá ivé bubny potažené velmi jemným drát ným nebo um lohmotným pletivem s oky výše uvedené velikosti. Voda je obvykle p ivád na dovnit pomalu se otá ejícího bubnu a pr chodem filtra ním pletivem je zbavena suspendovaných látek, které se z povrchu filtra ní plochy ost ikují proudem vody v horní ásti za ízení. Mikrosíta jsou vhodná pro zachycení jemných suspenzí, nap . as. Pro tento ú el jsou n kdy za azována jako první stupe úpravy povrchové vody nebo do okruh chladící vody a p i úprav vody pro plavecké bazény.

4.2

Filtrace vrstvou zrnitého materiálu

Filtrace vrstvou zrnitého materiálu se uplat uje ve vodárenství nej ast ji, nap . pro zachycení hydroxid železa a hliníku, tedy produkt koagulace nebo v prvém p ípad i odželezování. Filtrace se používá po p edchozí sedimentaci, kterou se zachytí v tší ást suspendovaných látek, nebo jako jediný separa ní proces. Filtra ní prost edí tvo í v tomto p ípad vrstva zrnitého materiálu, kterou protéká suspenze. Suspendované ástice jsou v ní zachycovány, p i emž k separaci dochází v celé vrstv nebo alespo v její ásti. Suspendované látky pronikají do nápln filtru tím hloub ji, ím je v tší filtra ní rychlost a zrnitost materiálu. Záchytem t chto ástic se zmenšují volné prostory mezi zrny filtra ního materiálu, a tím se vytvá í jemn jší filtra ní prost edí. Po ur ité dob vzroste vlivem zanášení pór filtra ní odpor natolik, že je nutno filtr regenerovat. D je se tak zp tným proudem vody, p ípadn vodou a vzduchem. P i posledn uvedeném zp sobu praní se p ivádí pod filtra ní vrstvu nejd íve vzduch, kterým se vytvo í ve vrstv kanálky, pak se p ivádí se vzduchem voda a nakonec samotná voda. V pr b hu praní je uvedena filtra ní vrstva do vznosu, což umož uje vyplavení zachycených suspendovaných látek. Délka filtra ního cyklu závisí na zne ist ní upravované vody, na kapacit filtru a na filtra ní rychlosti. Filtra ní materiál spo ívá na filtra ním dn s filtra ními hlavicemi (tryskami, cední ky), které umož ují pr tok vody, ale zabra ují jeho vyplavení.

- 35 (58) -


Nejobvyklejším filtra ním materiálem používaným ve vodárenství je k emenný písek Faktory ovliv ující výsledek filtrace ve vrstv zrnitého materiálu jsou následující:

•

obsah ástic ve filtrované vod a jejich charakter, zejména velikost,

•

vlastnosti filtra ního materiálu,

•

hloubka filtra ní vrstvy,

•

zp sob filtrace - zatížení filtru, tlakové pom ry, provozní režim aj.

P i použití obvyklých filtra ních materiál se zachytí ástice v tší než cca 1 µm. Vzhledem k filtra ním rychlostem, které bývají ádov v m.h-1, se tento proces nazývá také rychlofiltrací a filtra ní za ízení rychlofiltry. Podle konstrukce se rozlišují rychlofiltry otev ené (beztlakové) a uzav ené (tlakové).

4.2.1

Základní pojmy

Mezerovitost ε je pom r mezi objemem volného prostoru ve filtra ní vrstv a celkovým objemem této filtra ní vrstvy. Rozsah zrnitosti vyjad uje velikost ástic (d) v tomto rozsahu, jejichž hmotnostní podíl z celkového množství musí p evýšit stanovený limit. Obvykle se stanovuje pro d10 a pro d90, což je velikost ok síta, kterým projde více než 10 %, resp. 90 % materiálu. K ivka zrnitosti vystihuje zastoupení zrn ur ité velikosti ve sm si. Zobrazuje závislost hmotnostních procent zrn (p - %) na velikosti ok síta (d - mm), kterým tento podíl p i p esívání prošel. Koeficient stejnozrnnosti k je pom r d60/d10. Je to pom r velikosti ok síta, jimiž projde 60 % resp. 10 % materiálu. Filtra ní rychlost v: v = Q/F (m3/ m2.h ∼ m/h) 3

-1

[4.1] 2

kde Q je pr tok vody [m .h ] filtrem o ploše F [m ] .

4.2.2

Otev ené rychlofitry

Tyto rychlofiltry se budují jako otev ené, betonové, pravoúhlé nádrže. V praxi byly vyvinuty dva základní typy otev ených rychlofiltr : americké a evropské (Švédské). Jejich rozdíl vyplývá z následujících provozn technických parametr :

- 36 (58) -


Tab.4.1: Parametry rychlofiltr

rychlofiltry

rozm r

americké

evropské

koagula ní

výška filtra ní nápln

m

0,8

1,1 – 1,3

1,4 - 2,0

zrn ní

mm

0,4 - 0,7

0,7 - 1,1

1,1 - 1,6

filtra ní rychlost

m.h-1

4,5 - 7,0

4,5 - 7,0

4,0 - 6,0

prací voda

litr /m2.s

10 -12

4-5

6-8

prací vzduch

litr /m2.s

-

12 - 16

15 - 18

Z výše uvedeného vyplývá, že evropské rychlofiltry mají hrubší zrnitost než americké, a proto u nich pronikají suspendované látky do v tší hloubky. Vzhledem k v tší vrstv filtra ní nápln je u evropských rychlofiltr nutné použít pro jejich uvedení do vznosu i vzduch. U amerických rychlofiltr se rozrušuje nejprve horní, nejvíce zanesená vrstva písku tlakovou vodou ze Segnerových kol, umíst ných asi 20 cm nad filtra ní vrstvou. Teprve pak se praní dokon í vodou p ivád nou ze spodu filtru. Spot eba prací voda bývá u otev ených rychlofiltr 2 až 5 % z vody vyrobené. Doba, za kterou je nutno filtry proprat, závisí na koncentraci suspendovaných látek a dalších okolnostech. Po i ení a sedimentaci bývá obvykle kolem 24 h. 2 1 A

E 3

4

5

F B

D

C

A – p ítok vody B – odtok filtrátu C – odtok prvního filtrátu D – p ítok prací vody E – odtok prací vody F – p ívod pracího vzduchu

1 – hladina vody p i filtraci 2 – hladina vody p i praní 3 – filtra ní vrstva p i filtraci 4 – filtra ní vrstva p i praní 5 – mezidn s filtra ními tryskami

Obr.4.1: Schéma otev eného evropského rychlofiltru

- 37 (58) -


4.2.3

Uzav ené rychlofiltry a kontaktní filtrace

Uzav ené filtry jsou konstruovány jako válcové nádrže, zhotovené ze sva ovaných nebo nýtovaných plech , nej ast ji stojaté, pro v tší výkony i ležaté. Pr m r nádrží bývá od 600 do 3000 mm. Filtra ní vrstva, obvykle písková o v tší velikosti zrn než bývá použito u otev ených rychlofiltr (do 2 mm), mívá výšku 3 až 4 m. Protože uzav ené jsou provozovány p i tlacích 0,4 až 0,6 MPa, bývá filtra ní rychlost 8 až 10 m.h-1. Praní se provádí nej ast ji vodou a vzduchem. Uzav ené filtry se používají i pro tzv. koagula ní neboli kontaktní filtraci. Vhodn jší název pro tento typ filtrace je koagulace se sníženou dávkou koagulantu. Využívá se p i tom zkušenosti, dle níž se vylu ování vlo ek hydroxid p i chemickém i ení vody nebo odželezování a odmanganování zna n zrychluje stykem suspenze s drsnými materiály. Je-li p ivedena na kontaktní filtr voda s p ídavkem koagulantu, vytvo í se nejprve mikrovlo ky hydroxidu, které se na filtru rychle shlukují ve vlo ky v tší (patrn áste n i vybitím náboj ). Tím se proces flokulace podstatn urychluje. P i tom je možné množství použitého koagulantu, obvykle síranu hlinitého, výrazn snížit, a to asto na cca polovinu oproti b žné koagulaci. Výhodou koagula ní filtrace, provád né v uzav ených filtrech, je její jednoduchost, nebo nevyžaduje zvláštní za ízení pro koagulaci a sedimentaci. Koagulace prob hne v prostoru nad pískovou filtra ní vrstvou a je dokon ena v její náplni. Sedimentace odpadá. Dalšími výhodami jsou rychlost procesu, trvajícího 15 až 20 minut, úspora koagulant a menší vliv teploty. Koagula ní filtrace je vhodná pro úpravu málo zne ist ných povrchových vod se zákalem do 30 ZF a barvou do cca 50 mg.l-1 Pt. Provozní parametry koagula ních filtr jsou uvedeny v Tab.4.1. K tomu je t eba jen dodat, že délka filtra ního cyklu bývá 48 h p i koncentraci suspendovaných látek (na níž je závislá) 25 mg.l-1. Spot eba prací vody bývá asi 7 % z vody vyrobené.

4.2.4

Dvouvrstevná filtrace

V procesu b žné filtrace se p i pr toku vody shora dol nejprve zanáší horní vrstva filtra ního materiálu. Nahradí-li se tato vrstvu hrubším materiálem, využije se lépe kapacita filtru, nebo jemn jší áste ky suspenze se dostávají do v tší hloubky. Tím se prodlouží filtra ní cyklus. Hrubší filtra ní materiál v horní ásti filtru však musí mít menší hustotu než jemn jší materiál v jeho dolní ásti, aby p i praní z stalo toto vrstvení zachováno. Vhodnou kombinací filtra ního materiálu ve dvouvrstevných filtrech je nap . 30 - 40 cm vysoká vrstva drceného antracitu o zrn ní 1,2 až 1,7 mm a pod ní 40 - 50 cm vrstva k emi itého písku o zrnitosti 0,7 až 1,0 mm. Variantn lze použít místo antracitu levn jší ernouhelnou dr . Filtra ní rychlost se ídí zákalem vody a obvykle bývá 7 - 10 m.h-1. Praní dvouvrstevných filtr se provádí pouze vodou. Výjime n lze použít i vícevrstevné filtry, nap . sestávající ze 4 vrstev s filtra ním materiálem: žula - písek - antracit - k emelina.

- 38 (58) -


4.2.5

K emelinové a perlitové filtry

K emelina a perlit jsou p írodní materiály, obsahující drobné k emi ité sko ápky jednobun ných as – rozsivek. Pro filtra ní ú ely se upravují kalcinací, mletím a t íd ním. Jejich sypná hmotnost je velice nízká - 200 až 300 kg.m-3. Filtry s tímto materiálem lze použít nap . pro išt ní jen slab zakalené vody, nap . v plaveckých bazénech. V lét je nutné praní po 2 až 3 dnech, v zim po 7 dnech.

4.2.6

Filtry s plovoucí náplní

Filtra ní materiál má u t chto filtr menší hustotu než je hustota vody. Takovou hmotou je nap íklad polystyren. Filtra ní vrstva se vznáší na hladin vody, která proudí zdola nahoru, p i emž musí být zabrán no úniku filtra ní nápln s išt nou vodou, nap íklad pomocí síta. Praní filtru je sm rem opa ným. Uvedené filtry byly využity jako sou ást malých i ících jednotek, v nichž i ící proces i separace vyvlo kovaného koagulantu na filtra ní vrstv je realizována v jedné nádrži.

4.3

Autotest

1. Co je to kontaktní filtrace? a) filtrace vody p es speciální materiály jako nap . k emelina b) koagulace se sníženou dávkou koagulantu c) rozklad organických látek mikroorganizmy na povrchu filtra ní nápln d) koagula ní filtrace 2. Jaké výhody p ináší vícevrstvá filtrace? a) lepší využití filtra ní nápln b) možnost použít v dolních vrstvách filtra ní nápln levn jší materiály c) záchyt r zného typu zne iš ujících látek na jednotlivých vrstvách nápln d) pomalejší zanášení filtra ní nápln

4.4

Shrnutí

Mezi hlavní separa ní postupy používané ve vodárenství pat í sedimentace a filtrace. Podle zp sobu záchytu suspendovaných látek se rozlišuje filtrace na filtra ní p epážce (nap . mikrosíta) a filtrace vrstvou zrnitého materiálu (otev ené a uzav ené rychlofiltry).

- 39 (58) -


5

Zušlech ování pitné vody

D ležitou, i když chemickou analýzou mnohdy obtížn postihnutelnou vlastností pitné vody jsou její senzorické vlastnosti. N které látky, p ítomné i ve stopových koncentracích, ovliv ují senzorické vlastnosti vody (chu , pach) velice nep ízniv . Dále mohou být ve vod p ítomny ve stopových množstvích slou eniny z hygienického hlediska závadné (karcinogenní, mutagenní), které stejn jako mnohé látky zp sobující senzorické závady jsou asto koagulací odstran ny nedostate n nebo v bec. Postupy, kterými jsou tyto látky z vody eliminovány, lze rozd lit na oxida ní a adsorp ní.

5.1

Oxida ní postupy zušlech ování vody

Oxida ní látky používané pro zušlech ování vody jsou totožné s t mi, které jsou používány k hygienickému zabezpe ení vody, o n mž bude pojednáno v následující kapitole. Na tomto míst je t eba jen poznamenat, že ne všechny a za všech okolností vedou k požadovanému senzorickému zušlecht ní pitné vody. Nap íklad nesprávné použití chloru m že vést naopak ke zhoršení senzorických, ale i hygienických vlastností vody (tvorba chlorfenol a trihalogenmethan ). V tomto sm ru bývá vhodn jší použití ozónu nebo oxidu chlori itého. Zajímavé je zjišt ní, že ozón v kombinaci s ultrafialovým zá ením rozkládá velmi resistentní molekuly chlorovaných aromatických slou enin (PCB, chlorbenzen aj.).

5.2

Adsorpce z vodných roztok

5.2.1

Vlastnosti sorbent

Adsorpce je jev, ke kterému dochází na mezifázovém rozhraní. V p ípad vodného prost edí se n které látky obsažené ve vod (adsorbát) hromadí na povrchu pevné fáze – adsorbentu (sorbentu). P í iny adsorpce jsou: a) mezimolekulární (van der Waalsovy) síly, b) chemická vazba mezi adsorbentem a adsorbátem (chemisorpce), c) p itažlivost ástic elektrickými silami v d sledku jejich opa ného náboje (iontová sorpce). N kdy se jedná o kombinaci výše uvedených sil. Principem adsorpce lze vysv tlit i odstran ní látek z vody i ením, u n hož je sorbent tvo en v pr b hu koagula ního procesu, který však má vzhledem ke svému významu v technologii úpravy vody výjime né postavení. Mezi látkou v roztoku (adsorbátem) a jejím adsorbovaným množstvím se po ur itém ase vytvo í dynamická rovnováha. Kvantitativn ji vyjad uje adsorp ní izoterma, což je závislost specifické adsorpce na koncentraci adsorbátu v roztoku cr [mg.l-1]. Specifická adsorpce as [mg.g-1] je adsorbované množství adsorbátu na jednotce hmotnosti adsorbentu. Adsorp ní izotermy odvodili Langmuir a Freundlich níže uvedenými vztahy, které nejsou zcela identické,

- 40 (58) -


nebo vycházejí z pon kud odlišných p edpoklad . Která z obou izoterem p esn ji odpovídá konkrétnímu adsorp nímu procesu lze zjistit empiricky, p iemž vyhovující shoda se dosahuje zpravidla jen v ur itém koncentra ním rozsahu. Langmuirova adsorp ní izoterma:

a s = a max .

b. c r 1 + b. c r

[5.1]

V uvedené rovnici je b konstanta, amax je maximální adsorpce (to je maximáln adsorbovatelné množství látky na jednotku hmotnosti adsorbentu), dosažená pro dostate n vysokou koncentraci cr, tedy pro b.cr >> 1. Langmuirova izoterma je odvozena z p edpokladu, že adsorpcí se vytvá í na povrchu sorbentu jen jedna (monomolekulární) vrstva, p i emž adsorbované ástice se vzájemn neovliv ují. Pro malé hodnoty cr platí: as = ama x. b . cr = K . cr

[5.2]

kde K je konstanta. P íklady pr b hu Langmuirovy adsorp ní izotermy jsou uvedeny na Obr.5.1 pro t i rozdílné hodnoty konstanty b. Na tomto grafu je uvedena závislost pom ru as/amax na hodnot cr. 1,0 b =1,0

as/amax

0,8

b =0,5

0,6

b = 0,2

0,4 0,2 0,0 0

5 10 -1 cr (mg.l )

15

Obr.5.1 Langmuirova adsorp ní izoterma

Freundlichova izoterma: as = k.cr 1/n

[5.3]

V této rovnici jsou k, n konstanty. Na rozdíl od Langmuirovy izotermy neblíží se u Freaundlichovy izotermy pro velké cr hodnota as asymptoticky k hodnot amax, ale má trvale vzestupnou tendenci, i když nár st hodnoty as se s r stem hodnoty cr snižuje. D ležitou vlastností každého sorbentu je jeho specifický povrch, což je plocha, p ipadající na hmotnostní jednotku sorbentu [m2.g-1] a samoz ejm také jeho složení. Rozlišují se sorbenty polární, které obsahují disociovatelné skupiny, - 41 (58) -


ud lující jejich povrchu elektrický náboj (kladný nebo záporný) a nepolární sorbenty, které takové náboje neobsahují a p i adsorpci se u nich uplat uje p edevším jejich velký povrch a síly van der Waalsovy. Na nepolárních sorbentech se adsorbují p ednostn látky nepolárního charakteru, na sorbentech polárních se adsorbují naopak p edevším látky polární. Ne vždy je však funkce sorbentu tak p esn vymezena. Nap . aktivní uhlí, považované za nepolární sorbent, adsorbuje látky nepolární, ale také nap . t žké kovy. Adsorpce látek stejného charakteru na nepolárních sorbentech roste s jejich relativní molekulovou hmotností (Mr), rychlost adsorpce se však s r stem relativní molekulové hmotnosti snižuje. Maxima adsorptivity je dosaženo p i ur ité velikosti Mr, pak op t klesá, což je zp sobeno omezením p ístupu rozm rn jších molekul do mikropór sorbentu. Nap . p i použití aktivního uhlí je tohoto maxima dosaženo p i Mr = cca 10 000. V souladu s výše uvedeným roste nap . adsorptivita mastných kyselin z vodného prost edí na aktivním uhlí s rostoucí délkou jejich alifatického et zce, což je i v souladu s Lundeliovým pravidlem, dle kterého je adsorpce látek tím v tší, ím menší je jejich rozpustnost v roztoku, z n hož jsou adsorbovány (rozpustnost mastných kyselin ve vod s r stem jejich molekuly klesá). Sorbenty jsou používány ve vodním hospodá ství pro r zné ú ely, zejména p i išt ní pr myslových odpadních vod a p i sanaci ropných havárií. V této kapitole je však pojednáno jen o jejich využití p i úprav pitné vody, p edevším pro ú ely uvedené výše, to je pro odstran ní: a) senzoricky závadných látek (zhoršujících chu a pach, p íp. barevných), b) hygienicky závadných stopových látek, p i emž n které mohou pat it zárove do první skupiny, c) p ebyte ného chloru.

5.2.2

Použití aktivního uhlí ve vodárenství

Ve vodárenství se používá jako sorbent aktivní uhlí, které se vyrábí speciálními termickými a chemicko-termickými postupy z p írodních organických materiál . Jeho struktura je tvo ena póry r zné velikosti, p i emž ty nejmenší mají pr m r pod 1 nm a zaujímají cca 95 % z celkové plochy, póry v tší slouží k p ívodu kapaliny (vody) k mikropór m. Specifická plocha aktivního uhlí bývá kolem 1 000 m2.g-1 i v tší. Aktivní uhlí je dodáváno ve form práškové, zrnité (r zná zrnitost ádov v mm) a granulované (nap . ve tvaru vále k pr m ru 0,5 cm a délky až 1,2 cm). R zné formy aktivního uhlí nesouvisí s jeho specifickým povrchem, ale ur ují zp sob jeho použití. V provozech úpraven povrchové vody na pitnou se aktivní uhlí aplikuje dvojím zp sobem: a) dávkováním práškového uhlí do upravované vody v pr to ném profilu úpravny, b) v kolon se zrnitým nebo granulovaným uhlím, p es kterou upravovaná voda protéká. Prvý zp sob, investi n mén náro ný, spo ívá v dávkování práškového aktivního uhlí spolu s koagulanty, p i emž spole n s vysráženými hydroxidy je

- 42 (58) -


také z vody separováno. Tento zp sob, používaný v tšinou s asovým omezením s cílem dosáhnout rychlého zlepšení kvality produkované vody, je ekonomicky neúsporný, nebo sorbent je sycen i látkami, které lze odstranit koagulací. U druhého, dynamického zp sobu, realizovaného v kolon , je tato umíst na za i ícím procesem v etn separace vlo ek hydroxid , takže na sorbent je p ivád na voda, zbavená v tšiny ne istot. Za tímto stupn m následuje již jen hygienizace. P i uvedeném zp sobu provozu dochází po pr toku ur itého množství vody k vysycení adsorp ních center sorbentu a k pr niku adsorbátu do upravované vody. P i konstantním povrchovém zatížení lze zaznamenat závislost koncentrace adsorbátu (látky, která je adsorbována) v odtoku z adsorp ní kolony na ase jako tzv. pr nikovou k ivku (Obr.5.2). Zbytková koncentrace se zpo átku jen zvolna zvyšuje, potom však následuje prudký vzestup. P ed dosažením tolerované zbytkové koncentrace cp je nutno filtr regenerovat

25 co

20 15

c

1

10

2

5 cp

0

0

20

t1

40

t2 60

t

80

k ivka 1 - pro výšku nápln kolony h1, k ivka 2 - pro výšku nápln kolony h2, c - koncentrace adsorbátu v odtoku, co - koncentrace adsorbátu v p ítoku, t doba pr toku vody Obr.5.2: Pr niková k ivka adsorp ní kolony

P i konstantním povrchovém zatížení kolony a konstantní kvalit vody na p ítoku jsou pr nikové k ivky pro r znou výšku nápln posunuty na asové ose, p i emž si zachovávají sv j tvar nezávisle na výšce kolony. Závislost mezi dobou pr niku t a výškou kolony h je vyjád ena vztahem:

t 2 = t1 +

h2 − h1 u

[5.4]

kde t2 resp. t1 jsou doby [h], za které dosáhne zbytková koncentrace adsorbátu na odtoku z kolony o výšce h2 resp. h1 [m] tolerovaného maxima cp, u je rychlost pohybu pr nikové k ivky náplní kolony [m.h-1]. Rychlost pohybu pr nikové k ivky je t eba stanovit experimentáln .

- 43 (58) -


Zrnité a granulované uhlí lze po vy erpání jeho sorp ní schopnosti regenerovat. Není to však proces jednoduchý a provádí se v tšinou ve výrobním závod , zpravidla termickým zp sobem, p íp. v kombinaci s chemickou úpravou. Senzorické vlastnosti vody jsou ovliv ovány i p ítomností chloru, používaného k dezinfekci vody (viz kap. 6). Jeho zvýšené dávky jsou p íznivé pro spolehlivé usmrcení patogenních zárodk , zvýšené koncentrace chloru zp sobují však pachové závady. Pro odstran ní chloru z vody nebo pro snížení jeho koncentrace na pot ebnou výši se používá aktivní uhlí, které reaguje s chlorem takto: C + 2 HClO = CO2 + 2 H+ + 2 Cl-

[5.5]

Kolona se zrn ným nebo granulovaným aktivním uhlím se v tomto p ípad za azuje až za hygienizaci chlorem. Pro distribuci do rozvodné sít se ješt voda za kolonou dle pot eby upraví chlorem na požadovanou koncentraci. Granulované aktivní uhlí bývá používáno i jako nosi katalyzátor - nap . MnO2 v odmanganovacích filtrech.

5.2.3

Fluorizace vody

K postup m zušlech ování vody lze za adit i její fluorizaci, což je dávkování slou enin fluoru v množství asi 1 mg.l-1 F. Ú elem je docílení p íjmu tohoto prvku prost ednictvím vody, která je nedílnou složkou potravy. Deficit fluoru, zejména v d tském v ku, zp sobuje kazivost zub a má další negativní d sledky. Pro fluorizaci vody jsou používány tyto slou eniny: fluorid sodný NaF nebo rozpustn jší fluorok emi itan sodný Na2SiF6, p íp. kyselina fluorok emi itá H2SiF6 (15 % roztok). Vyšší koncentrace než 1,5 mg.l-1 F jsou však již škodlivé (NMH), což vyžaduje p esné dávkování chemikálie. V sou asné dob se tento zp sob úpravy vody pro jeho nákladnost opouští nahrazuje se p ídavkem slouenin fluoru do zubních past. Z upravené vody slouží totiž k pitným ú el m jen její malý zlomek.

5.2.4

Domácí filtry

Pro docílení lepší kvality pitné vody spot ebované v domácnostech jsou komer n nabízeny a využívány filtry, lišící se zejména náplní, která se volí podle funkce za ízení. Prostý filtr, nap . pískový, poslouží k odstran ní zákalu vody. Pro odstran ní pachu vody se užívá aktivní uhlí, které odstran ní i chlor, p sobící ve zvýšených koncentracích také pachové závady. Pro odstran ní iont se používá nápl iontom ni ová - katex pro snížení tvrdosti, anex pro odstran ní dusi nan . N které nápln mohou p sobit dezinfek n svým oligodynamickým ú inkem (kap. 6). Velkým problémem p i používání filtr , s výjimkou posledn uvedených, je nebezpe í bakteriální kontaminace vody. Na pevné náplni filtru dochází snadno k pomnožení bakterií, zvlášt p i stagnování vody, a již v d sledku hydraulického ešení filtru, v n mž n které jeho ásti nejsou pr to né, nebo p i p erušení odb ru vody, které bývá ádov v hodinách i dnech.

- 44 (58) -


5.3

Autotest

1. Co je to adsorp ní izoterma? a) závislost specifické adsorpce na koncentraci adsorbentu v roztoku b) závislost specifické adsorpce na koncentraci adsorbátu v roztoku c) závislost množství adsorbátu adsorbovaného hmotnostní jednotkou adsorbentu na koncentraci adsorbátu v roztoku d) závislost množství adsorbentu adsorbovaného hmotnostní jednotkou adsorbátu na koncentraci adsorbentu v roztoku 2. Co je to polární sorbent? a) sorbent vhodný pro použití za nízkých teplot b) sorbent, který na svém povrchu nenese elektrický náboj c) sorbent adsorbující p ednostn anorganické látky d) sorbent, který na svém povrchu nese elektrický náboj 3. Jaké riziko s sebou nese použití domácích filtr ? a) bakteriální kontaminace b) neodborná montáž c) použití nevhodné nápln filtru d) odstran ní chloru z vody

5.4

Shrnutí

Látky zhoršující senzorické vlastnosti vody z ní mohou být odtran ny procesy oxida ními nebo adsorp ními. Adsorpce je hromad ní látek obsažených ve vod (adsorbát) na povrchu pevné fáze (adsorbent). Hlavním adsorbentem, používaným ve vodárenství, je aktivní uhlí.

- 45 (58) -


6

Dezinfekce vody

I když byly p írodní vody upraveny procesem i ení, mohou obsahovat choroboplodné zárodky a jsou pak zdravotn závadné. Proto je nutné p i užití vody k pitným ú el m v ní veškeré organizmy (bakterie, viry, prvoky aj.) usmrtit, což se nazývá dezinfekce vody. Ta se provádí po úprav p írodních vod na vodu pitnou a preventivn i u neupravovaných podzemních vod sloužících k hromadnému zásobení obyvatel. Velké množství choroboplodných zárodk obsahují odpadní vody. Zvlášt nebezpe né jsou po této stránce odpadní vody z nemocnic a z veterinárních za ízení. Tyto odpadní vody musí být proto dezinfikovány p ed tím, než jsou vypušt ny do ve ejné kanalizace, i když je tato zakon ena istírnou odpadních vod. Nejstarším zp sobem dezinfekce pitné vody, užívaným dosud p i náhlých epidemiích nebo p írodních katastrofách, ale p echodn i tehdy, když po et bakteriálních zárodk v pitné vod p ekro í normativn povolené hodnoty, je n kolikaminutové p eva ení vody. B žn užívané zp soby dezinfekce vody lze rozd lit podle ú inku: d) použití látek siln oxida ních a sou asn baktericidních (usmrcujících bakterie) e) použití látek s oligodynamickým ú inkem, f) fyzikální metody. Silná oxidovadla lze vedle toho užít i k jiným technologickým ú el m, jako je odstran ní železa a manganu, sirovodíku a n kterých organických slou enin, zejména t ch, které p sobí pachové a chu ové závady.

6.1

Dezinfekce chlorem a jeho slou eninami

6.1.1

Vlastnosti chloru a jeho slou enin

Chlor je za normálních podmínek žlutozelený, dusivý plyn siln porušující sliznici dýchacích orgán . Jeho hustota je 2,5 krát v tší než hustota vzduchu. Bod varu je za normálního tlaku - 34,1 oC , bod tuhnutí - 101,5 oC. Tlak chloru v uzav ené nádob se zvyšuje s teplotou a je: 0,101 MPa p i -34,1 oC, 0,369 MPa p i 0 oC a 0,665 MPa p i 20 oC. Dodává se v ocelových lahvích (40 - 80 kg) nebo barelech (500 - 600 kg). Ve vod je chlor pom rn dob e rozpustný, a to v závislosti na teplot 0,101 MPa): Tab. 6.1: Rozpustnost chloru ve vod

teplota oC rozpustnost, g.l

-1

10

20

30

9,65

7,3

5,8

- 46 (58) -

(p i

Dezinfekce vody

Ve vod chlor hydrolyzuje podle rovnice: Cl2 + H2O = HCl + HClO

[6.1]

Hydrolýza je za oby ejné teploty ukon ena v pr b hu n kolika sekund. Jejími produkty jsou silná (zcela disociovaná) kyselina chlorovodíková a slabá kyselina chlorná. Disocia ní rovnováha kyseliny chlorné je vyjád ena rovnicí:

c( H + ).c(ClO − ) = K HClO = 10 −7 ,57 (p i 25 oC) c( HClO)

[6.2]

Podíl jednotlivých forem chloru - Cl2, HClO, ClO- - závisí na koncentraci H+, tedy na pH prost edí. P i pH nižším než 3,0 se musí po ítat s neúplnou hydrolýzou molekulárního chloru, p i emž podíl nehydrolyzovaného chloru z jeho celkového množství závisí na pH (viz Tab. 6.2) Tab. 6.2: Závislost podílu nehydrolyzovaného chloru na pH

pH

3,0

2,0

1,0

nehydrolyzovaný podíl Cl2, %

0,3

3,2

25

c(ClO-) / c(ClO- + HClO)

Podíl disociované formy (ClO-) z celkového množství závisí dle rovnice [6.2] na pH roztoku (Obr. 6.1). P i pH < 5,0 je koncentrace ClO- zanedbatelná, v rozsahu pH od 5,0 do 10,0 jsou v roztoku p ítomny ob formy HClO a ClO-, p i emž podíl disociované formy z celkového množství se s r stem pH zvyšuje. P i pH > 10,0 podíl ClO- zdaleka p evažuje.

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 5

6

7

pH

8

9

10

Obr.6.1: Distribu ní diagram: podíl disociované formy z celkového látkového množství kyseliny chlorné v závislosti na pH roztoku

Rozpoušt ním chloru ve vod vzniká vedle kyseliny chlorné i kyselina chlorovodíková (rovnice [6.1]). Tato reaguje s hydrogenuhli itany. Pokud je však

- 47 (58) -


jejich koncentrace nízká, je snížení pH roztoku p i rozpoušt ní chloru ve vod výrazné. D ležitá je reakce chloru s amoniakem za tvorby chloramin , probíhající podle rovnic: monochloramin: NH3 + HClO = NH2Cl + H2O

[6.3]

NH3 + 2 HClO = NHCl2 + 2 H2O

[6.4]

dichloramin: Distribuce jednotlivých chloramin ve vod závisí na pH, teplot , reak ní dob a pom ru koncentrace chloru a amoniaku. P i pH 4,5 až 8,0 se obvykle tvo í sm s mono- a dichloraminu, p i pH 7 až 10 p evažuje monochloramin. Je-li p ebytek chloru v i amoniaku velký (hmotnostní pom r Cl : NH3 > 8 : 1) dochází k úplnému rozkladu amoniaku za tvorby elementárního dusíku: 3 Cl2 +2 NH3 = 6 HCl + 3 N2

6.1.2

[6.5]

Ú inky chloru a jeho slou enin

Ú inky chloru lze rozd lit následovn : A. Oxida ní ú inek. Chlor oxiduje anorganické i organické slou eniny. Reakce s anorganickými látkami (Fe2+, NO2- ) je zpravidla rychlá, reakce s organickými látkami probíhá obvykle pomaleji (n kdy trvá i hodiny). Oxida ní ú inek jednotlivých forem chloru lze vyjád it rovnicemi: Cl2 + 2 e- = 2 Cl+

Eo = 1,36 V

-

-

-

-

HClO + H + 2 e = Cl + H2O -

[6.7]

o

[6.8]

E = 1,49 V -

ClO + H2O + 2 e = Cl + 2 OH

[6.6]

o

E = 0,94 V

Z výše uvedených rovnic vyplývá oxida ní ekvivalent Cl2, HClO a ClO-, který je u všech t chto látek p i jejich redukci na chloridy stejný - 1 mol uvedených látek p ijme ve všech p ípadech 2 moly elektron a oxiduje tedy stejné množství reduk ní látky. Z hodnot standardního elektrodového potenciálu Eo redoxních systém lze však vyvodit, že prvé dv formy chloru jsou siln jšími oxidovadly než ClO-, nebo jejich standardní potenciál Eo je vyšší. Chlor ve všech svých formách i n které další slou eniny chloru (chloraminy) oxidují jodidy na jod: 2 I - = I 2 + 2 e-

[6.9]

Oxida ní ú inek chloru a jeho slou enin se hodnotí také podle p sobení t chto látek na o-tolidin, který je jimi oxidován na žlut zbarvenou slou eninu, ehož lze využít i pro kvantitativní fotometrické stanovení chloru. Podle rychlosti reakce s o-tolidinem se rozlišuje volný a vázaný aktivní chlor. V prvém p ípad je reakce okamžitá. Z forem slou enin chloru takto reagují Cl2, HClO a ClO-. Slou eniny s vázaným aktivním chlorem jsou podstatn slabšími oxidovadly, a proto reagují s o-tolidinem za delší dobu (5

- 48 (58) -

Dezinfekce vody

minut). K t mto pat í p edevším chloraminy, p íp. n které organické chlorderiváty. B. Chlora ní ú inek. Chlor se váže v molekule, zpravidla organické slou eniny, aniž ji rozloží. P íkladem je chlorování fenol za vzniku toxických a siln zapáchajících chlorfenol . C. Oxida n chlora ní ú inek. P i této reakci se uplat ují oba výše uvedené d je, tj. oxidace i chlorace. P íkladem je reakce s amoniakem nebo št pení huminových látek za vzniku CHCl3 a dalších trihalogenmetan . D. Dezinfek ní ú inek. Usmrcení choroboplodných zárodk , zejména bakterií a vir , je prioritním požadavkem p i použití chloru jako dezinfek ní látky.

6.1.3

Chlorování vody

P i dezinfekci vody chlorem je významnou veli inou spot eba chloru. Rozumí se jí množství chloru nezbytné k dosažení požadovaného p ebytku aktivního chloru po ur ité dob kontaktu chloru s vodou. Závislost koncentrace zbytkového aktivního chloru cm(Cl) ve vod na dávce chloru D(Cl) zobrazuje chlora ní k ivka. Její pr b h je závislý na tom, obsahuje-li voda amoniak i nikoliv.

cm(Cl) mg.l-1

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

D(Cl) mg.l-1 Obr. 6.2: Chlora ní k ivka v nep ítomnosti amoniaku 0,5

cm(Cl) mg.l-1

0,4

A

B

C

E G

0,3 0,2 0,1

BZ

H

0,0 0,0

0,5

1,0 -1

D(Cl) mg.l

Obr. 6.3: Chlora ní k ivka v p ítomnosti amoniaku - 49 (58) -

1,5


P i chlorování vody v nep ítomnosti amonných iont odpovídá koncentrace chloru zjišt ného ve vod jeho p idanému množství po ode tení podílu chloru spot ebovaného oxida ními, p íp. chlora ními reakcemi s látkami obsaženými ve vod . Uvedený úbytek se projeví prodlevou na za átku chlora ní k ivky. P i chlorování v p ítomnosti amoniaku (amonných iont ) lze rozlišit na chlora ní k ivce následující úseky: A. V tomto úseku dochází k oxidaci a chloraci látek obsažených ve vod , stejn jako u vody bez amoniaku. V p ítomnosti amoniaku se tato prodleva na chlora ní k ivce projeví jen tehdy, když je rychlost oxidace i chlorace v tší než rychlost tvorby chloramin . B. V této oblasti se tvo í chloraminy, p íp. organické chloraminové komplexy. Ve vod je p ítomen jen vázaný aktivní chlor. Vrchol na k ivce odpovídá stavu, kdy je veškerý amoniak p em n n na chloraminy. C. V tomto úseku dochází p i velkém pom ru Cl2 : NH4+ k rozkladu chloramin . Minimum na k ivce se nazývá bod zlomu, i zvratu (BZ). Ve vod existuje v tomto úseku jen vázaný aktivní chlor. D. Za bodem BZ z stává ur ité množství vázaného aktivního chloru (H) z nerozložených chloramin , p íp. n kterých chlorovaných organických slou enin. Úm rn s množstvím p idaného chloru vzr stá za bodem zlomu zbytková koncentrace volného aktivního chloru (G). P i dezinfekci pitné vody chlorem v p ítomnosti amonné soli se voda chloruje bu do bodu zlomu nebo t sn za n j, aby obsahovala ur itý p ebytek volného aktivního chloru. Dle Vyhlášky 252/2004 Sb. je mezní hodnota pro aktivní chlor 0,3 mg.l-1, nad níž již vyvolává chlor nep íznivé pachové vjemy. P i chlorování za ú elem dezinfekce pitné vody je tento proces za azen jako poslední stupe její p ípadné úpravy. I p i použití jiných postup dezinfekce s výjimkou použití ClO2, bývá voda ješt chlorována malými dávkami Cl2, aby byla hygienicky zabezpe ena b hem rozvodu ve vodovodní síti, nebo je požadováno, aby dezinfek ní látka byla ve vod p ítomna až do jejího odb ru uživatelem. I chlor se však z vody asem vytrácí, a to tím snáze, ím více zbytkového organického zne ist ní voda obsahuje, což p sobí n kdy potíže p i pln ní výše uvedeného požadavku. V takových p ípadech lze použít dávkování chloru a amonné soli, nebo vzniklé chloraminy jsou stálejší než chlor, což vyplývá z jejich slabšího oxida ního ú inku. P i dezinfekci odpadních vod je nutno použít vyšší dávky chloru než u vod pitných, nebo chlor oxiduje organické látky (jejichž koncentrace je v odpadních vodách vysoká) a tím se rychle ztrácí z roztoku. U st edn zne išt ných odpadních vod bývají dávky chloru ádov v mg.l-1. Ú innost dezinfekce chlorováním závisí v prvé ad na koncentraci chloru a dob jeho p sobení, dále na pH , teplot a chemickém složení vody. Vliv pH vyplývá z toho, že p i jeho snižování se zvyšuje podíl ú inn jší formy (HClO) oproti form mén ú inné (ClO-). Se zvyšováním teploty roste i ú innost chlorace, ale naopak se snižuje stálost chloru, a proto výsledný vliv teploty není jednozna ný. Požadovaná doba p sobení chloru je udávána minimáln 10 až 15 minut, v praxi se p i chlorování pitné vody doporu ují 1 až 2 hodiny.

- 50 (58) -

Dezinfekce vody

Chlor se do vody dávkuje chlorátory, jejichž princip spo ívá v p ívodu plynného chloru do uzav ené nádrže spolu s edící vodou, v níž se rozpustí. Teprve vzniklá chlorová voda je dávkována do upravované vody, ve které je dokonale rozmíchána. Chlorátory pro dávkování plynného chloru lze rozd lit na tlakové a podtlakové. Posledn uvedené mají výhodu ve v tší bezpe nosti provozu - p i net snosti neuniká chlor do ovzduší. Plynný chlor je nebezpe ný pro lidský organizmus. Maximáln p ípustná koncentrace chloru v ovzduší je p i delším pobytu 1 ppm (1 mg v 1 kg vzduchu), z etelný zápach se objevuje p i koncentraci 3,5 ppm, silný kašel je vyvolán p i 30 ppm a nebezpe ná koncentrace i p i krátkém pobytu je 40 až 60 ppm.

6.1.4

Dezinfekce chlornany a chloraminem B a T

U menších zdroj se používá s výhodou místo plynného chloru roztok chlornanu sodného NaClO. Práce s ním je mén náro ná na odbornou obsluhu. Chlornan sodný se dodává jako cca 50 % vodný roztok ve sklen ných balonech. Reaguje siln alkalicky. P i pH > 10 je stálý, na sv tle a v p ítomnosti katalyzátor (soli Fe, Mn) se rozkládá. Pon vadž reakce vody po rozpušt ní NaClO je alkalická, je chlor p ítomen jako ClO-, a proto je pot ebná delší doba kontaktu než p i dezinfekci plynným chlorem. Podobné ú inky jako chlornan sodný má roztok chlornanu vápenatého Ca(ClO)2. Chlornany se dávkují po z ed ní zásobního roztoku dávkova i kapalných látek. ed ním se však stálost chlornanu snižuje. Chloramin B je obchodní název pro sodnou s l benzensulfochloramidu C6H5.SO2NClNa.3H2O. Podobný je chloramin T - sodná s l ptoluensulfochloramidu. O

Cl

S --- O-N (-) Na+

chloramin B

Chloramin B a chloramin T se používají výhradn pro dezinfekci malý zdroj , nap íklad studní.

6.2

Dezinfekce oxidem chlori itým

Oxid chlori itý (chlordioxid) ClO2 je páchnoucí plyn leptající sliznice, cca stejné hustoty jako chlor. Ve vod se rozpouští lépe než ozon, ale podstatn h e než chlor. Vyrábí se v míst spot eby z chloritanu sodného p sobením kyseliny chlorovodíkové nebo chloru. Reakce chloritanu NaClO2 s chlorem probíhá v mírn kyselém prost edí. P i pH > 5 se proces zastavuje, pon vadž chloritan je p ítomen v iontové form , která nereaguje. Je-li však roztok p íliš kyselý, je tvorba ClO2 také bržd na. Chlor musí být v mírném p ebytku, aby byla záruka, že nez stal nerozložený chloritan, který je zdravotn závadný. Z uvedeného vyplývá, výroba ClO2 je pom rn choulostivým procesem a provádí se ve speciálním za ízení. Oxida ní reakce ClO2 probíhají ve dvou stupních, v prvém stupni za vzniku chloritanu, ve druhém za vzniku chloridu:

- 51 (58) -


ClO2 + 2 e- = ClO2-

Eo = 1,15 V

[6.10]

ClO2- + 2 H2O + 2 e- = Cl- + 4 OH-

Eo = 0,76 V

[6.11]

Oxid chlori itý je n kolikanásobn siln jší oxida ní látkou než chlor. Jeho ú inek není tak závislý na pH jako ú inek chloru. Roztoky ClO2 jsou však zna n nestálé, a to i ve tm , a proto musí být neprodlen aplikován. Dávky p i dezinfekci pitné vody bývají do 1 mg.l-1. Výhody použití ClO2 k dezinfekci oproti chloru: a) má v tší baktericidní (bakterie usmrcující) ú inky, ni í i viry a bacily tuberkulózy, které jsou rezistentn jší než jiné pathogenní bakterie, b) netvo í s organickými látkami chlorované deriváty (trihalogenmetany, chlorfenoly), c) odstra uje dokonaleji barvu a zápach vody, d) je ve vod stálejší než chlor a lze jej použít i pro hygienické zabezpe ení vodovodní sít (zbytková koncentrace > 0,2 mg.l-1). Nevýhody použití ClO2 oproti chloru: a) nutná výroba v míst použití pro jeho nestálost (naopak áste ná úspora za dovoz chemikálií), b) menší rozpustnost ClO2 ve vod , c) obtížn jší analytická kontrola.

6.3

Dezinfekce ozonem

Ozon je alotropickou modifikací kyslíku s t íatomovými molekulami. Za normálních podmínek je to plyn, pom rn nestálý, výrazn zapáchající, mírn namodralé barvy. Je škodlivý pro lidský organizmus. Jeho p ípustná koncentrace v ovzduší je 0,1 ppm. Koncentrace 0,5 ppm zp sobuje podrážd ní o í a dýchacích orgán .Ozon vzniká z kyslíku podle rovnice: 3 O2 = 2 O3

[6.12]

Tato p em na vyžaduje zna né množství energie (114,44 kJ mol-1). V atmosfé e zem vzniká ozon z kyslíku vlivem ultrafialového zá ení nebo elektrickými výboji. Pro technické pot eby se ozon vyrábí v ozonizátorech ze vzduchu zbaveného vlhkosti (jinak se tvo í oxidy dusíku, korodující elektrody), vedeného do prostoru, v n mž vzniká p i nap tí 8 000 až 15 000 V tichý výboj, p i kterém dochází k p em n kyslíku na ozon. Výt žek se zvyšuje s rostoucí frekvencí st ídavého proudu, p i 500 Hz je dvojnásobný oproti 50 Hz. V 1 m3 vzduchu je za normálních podmínek 300 g O2. V ozonizátorech lze získat na výstupu 5 až 10 g ozonu v 1 m3. P i koncentraci 10 g.m-3 v ovzduší je jeho rozpustnost ve vod p i atmosférickém tlaku 3,33 mg.l-1. Ozon má silné oxida ní ú inky. Oxidace ozonem probíhá podle rovnice: O3 + 2 H+ + 2 e- = O2 + H2O

Eo = 1,65 V

[6.13]

Míchání vzduchu obohaceného ozonem s vodou se provádí injektorem nebo v tlakových mísi ích. Prvý zp sob je vhodný pro menší za ízení. Injektory jsou

- 52 (58) -

Dezinfekce vody

konstruovány na principu vodní výv vy. Tlakový mísi je kontaktní nádrž s míchadlem, do níž je p ivád na upravovaná voda a pod tlakem vzduch obohacený ozonem. Po dokonalém promísení plynné a kapalné fáze je t eba, aby byla zajišt na požadovaná doba kontaktu ozonu s vodou, která má být p i teplot 10 o C minimáln 10 minut, p i teplot 20 oC minimáln 5 minut. Ozon rozkládá huminové látky, barviva a fenoly bez tvorby slou enin zhoršujících organoleptické vlastnosti vody, p íp. jinak škodlivých. Oxiduje Fe2+ na Fe3+, Mn2+ na MnO4-. Jeho dezinfek ní ú inek je v tší než u chloru. Ozon ni í i viry, nap . virus d tské obrny je zni en p i dávce 0,45 mg.l-1 již za 2 minuty, kdežto p i dávce chloru 1 mg.l-1 až za 5 hodin. Jeho výhody, resp. nevýhody ve srovnání s chlorem jsou stejné jako u oxidu chlori itého.

6.4

Oligodynamické metody dezinfekce vody

Ionty n kterých kov , zejména st íbra a m di, mají schopnost i v nepatrných koncentracích ni it mikroorganizmy. Tento ú inek, zvaný oligodynamický, spo ívá v blokování enzym vlivem iont Ag+, p íp. Cu2+. Pro dosažení požadovaného ú inku musí být doba kontaktu s vodou pom rn dlouhá, obvykle alespo 3 až 6 hodin. Uvedený zp sob je vhodný pro dezinfekci nep íliš kontaminovaných vod. Podle zp sobu aplikace oligodynamického p ípravku se rozlišuje: a) Kontaktní katadynace: upravovaná voda se dostává do styku s elementárním st íbrem, jemn rozptýleným na velkém povrchu r zných materiál (nap . mikrofiltr ). Koncentrace st íbra, které se rozpustí ve vod , je velice nízká, ale pro oligodynamický ú inek dosta ující. b) Elektrokatadynace: ionty Ag+ jsou uvol ovány do vody ze st íbrné anody elektrolytickým procesem. P i expozici stejnosm rného proudu 1,6 V po dobu 0,5 až 2 minuty se dosáhne koncentrace Ag 0,05 až 0,5 mg.l-1, posta ující pro oligodynamický ú inek. P i tomto zp sobu dezinfekce je nutno respektovat koncentra ní limit Ag pro pitnou vodu. c) Oligodynamické p ípravky: jedná se o slou eniny st íbra, ve vod málo rozpustné, jako je chlorid st íbrný AgCl. Jsou vhodné k nárazové dezinfekci malých zdroj (studny). Obchodní název p ípravku na bázi AgCl je Sagen. Podle zkušeností dosta uje pro dezinfekci 1 m3 vody dávka 10 g Sagenu. Pro potla ení r stu as ve vodách byly d íve používány soli m di, p edevším síran m natý (modrá skalice), jejíž ú inek lze považovat rovn ž za oligodynamický. Imisní limit pro Cu v povrchových vodách 30 g.l-1 však uvedenou aplikaci prakticky vylu uje.

6.5

Fyzikální metody dezinfekce vody

Z fyzikálních metod dezinfekce pitné vody je nejd ležit jší ultrafialové zá ení (vlnová délka < 350 nm). Ú inek tohoto zá ení spo ívá v p sobení na disperzní systém protoplazmy mikroorganizm , v n mž vyvolává zm nu struktury, a to vede k jejich usmrcení. - 53 (58) -


Zdrojem ultrafialového (UV) zá ení bývají rtu ové k emenné lampy, kolem nichž v tenké vrstv (150 mm) proudí voda, která musí být pr zra ná, nebo zákal snižuje prostupnost zá ení a tím i jeho ú innost. Nejú inn jší je krátkovlnné zá ení o vlnové délce 260 nm. Doba oza ování bývá pom rn krátká, ádov do n kolika minut. Metoda se užívá pro malé zdroje. Výhody metody: a) do vody nejsou vnášeny cizorodé látky, b) odpadá manipulace s chemikáliemi, v etn kontroly jejich dávkování. Nevýhody metody: a) a) ú inek dezinfekce není trvalý, v rozvodné síti m že dojít k druhotné kontaminaci, proto se kombinuje s chlorováním, b) b) životnost oza ovacích lamp je pom rn krátká (cca 2 000 h), c) c) nároky na energii jsou pom rn vysoké, aparát pro výkon 750 l.h-1 má p íkon 300 W. Zajímavé je zjišt ní, že dusi nany jsou p i dlouhodob jším p sobení UV zá ení redukovány na toxické dusitany. V praxi však je doba expozice kratší, než doba, p i níž k tomuto jevu dochází. Velice ú inná je kombinace UV zá ení a ozonu, kterou lze rozložit i velice resistentní organické slou eniny, jako jsou polycyklické aromatické bifenyly, chlorované uhlovodíky aj.

6.6

Autotest

1. Které slou eniny chloru nepat í do pojmu „volný aktivní chlor“? a) chlornany a kyselina chlorná b) chlornany a chlor c) chloridy a chloraminy d) oxid chlori itý a kyselina chlorná 2. Pro je na chlora ní k ivce v p ítomnosti amoniaku pr hyb? a) chlor reaguje s amoniakem b) amoniak brání rozpoušt ní chloru ve vod c) amoniak inhibuje baktericidní p sobení chloru d) pr hyb vzniká pouze v p ítomnosti amonných solí 3. Co rozumíte pod pojmem „oligodynamické p sobení“? a) toxické ú inky na ervy málošt tinaté (oligochaeta) b) snižování obsahu organického zne išt ní ve vod c) baktericidní ú inky ozonu d) mikrobicidní ú inky nízkých koncentrací iont n kterých kov

- 54 (58) -

Dezinfekce vody

6.7

Shrnutí

Pp i užití vody k pitným ú el m je nutné v ní veškeré organizmy usmrtit, což se nazývá dezinfekce vody. K tomu se používá slou enin s oxida ním a baktericidním ú inkem (chlor a jeho slou eniny, ozon), látek s oligodynamickým ú inkem (Ag+) a fyzikálních metod (UV zá ení).

- 55 (58) -


7

Záv r

Studiem tohoto modulu jste si rozší ili znalosti z hydrochemie o problematiku oxidu uhli itého a jeho iontových forem, neutraliza ní kapacitu vody, vápenato-uhli itanovou rovnováhu, z kov pak o železo a mangan. Seznámili jste se s chemickou, resp. biochemickou podstatou vybraných proces používaných ve vodárenství. Zájemc m o detailn jší studium této problematiky doporu ujeme literaturu uvedenou níže.

- 56 (58) -

Studijní prameny

8 8.1

Studijní prameny Seznam použité literatury

[1]

Malý, J., Malá J. Chemie a technologie vody. NOEL 2000 s.r.o., Brno, 1996.

[2]

Pitter, P. Hydrochemie. Vydavatelství VŠCHT, Praha, 1999.

[3]

Strnadová, N. Technologie vody I. Vydavatelství VŠCHT, Praha, 1999.

8.2

Odkazy na další studijní zdroje a prameny

[4]

http://www.cyber-nook.com/water/Solutions.html

[5]

http://www.microbeworld.org/htm/cissues/waterq/wqual_3.htm

[6]

http://www.extension.umn.edu/water/drinking_water.html

[7]

http://www.awwa.org/Advocacy/learn/info/HistoryofDrinkingWater.cf m

- 57 (58) -

Modul 2 – Vodárenství

9

Klí

Správné odpov di k autotest m: 2.4

1a) a c), 2b) 3d), 4a)

3.5

1d), 2b), 3a)

4.3

1 b) a d), 2a) a d)

5.3

1b) a c), 2d), 3a)

6.6

1c), 2a), 3d)

- 58 (58) -

CHEMIE A TECHNOLOGIE VODY

Recommend Documents